Thuật ngữ128-bit AES6LoWPANAd-hocADVAlertBackhaulBACnetBase StationBindingBluetoothBoder Edge RouterBOSSCCITTColdStartContikiCSMA Data Data fusion ETX EU4WARDEUSENSEIEvent — DrivenFloodi
Các đề tài có liên quan và tình hình nghiên cứu hiện nay
Với một hệ thống mạng giám sát truyền thống yêu cầu đặt ra là việc xử lý mạnh mẽ sao cho thời gian đáp ứng các nhiệm vụ là nhỏ nhất và cung cấp thông tin một cách rộng lớn và chi tiết nhất, nhưng đối với mạng cảm biến thì mục tiêu chính là đạt được sự tiết kiệm năng lượng và giảm được nhiều nhất các hoạt động liên lạc không cân thiệt giữa các node cảm biên.
Một mạng giám sát và quản lý được thiết kế và xây đựng cho mạng WSN phải tối ưu hiệu suất của mạng, đảm bảo cho mạng hoạt động chính xác, duy trì hiệu suất của mạng, phải quản lý được một lượng lớn các node cảm bién khong cần đến quá nhiều tác động trực tiếp của con người Mạng quan lý giám sát cho WSN cung cấp một bộ các chức năng quản lý bao gồm cấu hình, vận hành, quản trị, bảo mật, bảo trì cho tất cả các thiết bị mạng và các dịch vụ của mạng Trong luận văn cũng như việc phân tích một số hệ thông có liên quan trong phần nảy sẽ không dé cập đến các van dé bảo mật mà chỉ tập trung vào các ứng dụng giám sát và điều khiên mạng.
Một số hệ thống được nghiên cứu trước đó bao gom cac hé thong ANMP
(Ad-hoc Network Management Protocol) [15], MANNA (Management Architecture for Wireless Sensor Networks) [15], Querilla [15], UPNP (Universal Plug and Play) [15], BOSS (Upnp-Based Sensor Network Management
Architecture [17], cling một số hệ giao thức quan lý mang như RRP, SNMS,
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si sNMP Sau đây sẽ trình bày một số hệ thống pho biến, đồng thời nêu ra các ưu và nhược điểm của các hệ thong nay, mot phan lam co sở so sánh cho hệ thống mạng giám sát mà luận văn trình bày.
Chức năng phát hiện lỗi là điểm mạnh của một số hệ thống TP [15], Sympathy, MANNA, WinMS Đối với hệ thống TP, mỗi một node chịu trách nhiệm giám sát sự hoạt động của chính nó và các node lân cận Do đó, nó có thé cung cấp thông tin về tinh hình mang trong một khu vực hẹp mà nó có mặt Hệ thông Sympathy phát triển hơn hệ thống TP do có thêm kỹ thuật tìm nguyên nhân lỗi và xác định vị trí của lỗi WinMS cho phép quản lý lỗi tập trung và có khả năng dự đoán được những lỗi có thể sẽ xảy ra do đó nó có thể ngăn chặn được các lỗi không mong muốn trước khi nó xảy ra Nó còn có kha năng tự động cau hình để có thể hoạt động trở lại trong trường hợp mạng bị lỗi WinMS (Wireless Sensor network-Management system) tiết kiệm được chi phí do nó có chế độ nghỉ, nó chỉ lang nghe tình hình của mạng trong một chu ky nào đó Mang MANNA cũng là mạng quản lý tập trung nhưng do đánh giá và quản lý mạng dựa trên dữ liệu tổng hợp được từ toàn bộ mạng WSN.
Service X Service Y uses uses ce \ ye
Function | Function 2 Function n uses uses isis
WSN Model WSN Model WSN Model WSN Model WSN Model
Hình 1.8: Mô hình hệ thống MANNA
Service Management Configuration Management Network Management
Performance Management Security Management Accounting Management
Hình 1.9: Phân cấp mô hình MANNA
Mô hình MANNA thiết kế cho mạng WSN nhưng lại phụ thuộc vào phan mềm đang phát triển nên không 6n định và không quan tâm đến kha năng chạy da ứng dung trong mang WSN Mô hình BOSS [17] chỉ ứng dung trong một công việc đơn giản là trung gian giữa mạng UPNP và mạng WSN. mm UPnP UPnP
Hình 1.10: Mô hình mang BOSS
Mô hình SNMS cung cấp các thông tin về sức khỏe và su kiện, nó đòi hỏi khả năng lưu trữ thông tin lớn, không hợp cho mạng WSN Một số phương pháp chỉ cho phép khả năng quan sát bị động, không có khả năng truy xuất và lấy các thông tin cần thiết.
Sau đây là bảng khảo sát hiệu suất làm việc của một số hệ thống:
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIA GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY Luan van Thac si work, network state retrieval, sam- pling frequency control, coverage maintenance, and fault detection Network manage-| Main management functionalities Energy Robustness | Adaptability | Memory Sealability ment system efficiency efficiency
WinMS Network state retrieval, synchro-| Yes Yes Yes Yes Yes nization local repair and system- atic resource transfer
BOSS Network state retrieval, localiza-| Yes Yes Yes Yes No tion, synchronization, and power inanagement
Mobile Agent-| Policy-based management!) Yes Yes Yes Yee No Based Policy| framework
Management AppSleep Power management (extended| Yes Yes No Yes Yes sleeping schedules) Intelligent Agent-| Local power management and sam-| Yes No Yes Yes No Based Power| pling frequency control
Management Sympathy Fault debugging Yes Yes Yes Yes No Two-Phase Moni-| Local fault detection schemes Yes Yes Yes No Yes toring System
SNMS Query-based network health data] Yes Yes No Yes No collection and event logging MOTE-VIEW Network state visualisation and] Yes No No Yes Yes network state retrieval Agilla Event detection Yes No Yes Yes No STREAM Network topology extraction Yes No Neo Yes Yes TopDise Network state retrieval (e.g net-| Yes No No Yes Yes work topology and node energy level)
RRP Data aggregation and zone Hooding} Yes No No Yes No scheme Sectoral Sweeper | Switching node on/olf Yes No No Yes No Node-Level Power management (task rejection)| Yes No No Yes No Management
SenOS Switching node on/off Yes No No Yes No DSN RM Priority-based trafhe management| Yes No Yes No No and congestion avoidance scheme Siphon Multi-radio on-demand traffic] No No Yes Yes No
InAnagement MANNA Policy-based management frame-]| NA NA NA NA NA
Bang 1: So sánh hiệu suất giữa các hệ thong quản lý giám sát mang
Hệ thống quản lý giám sát mạng đa dạng, mỗi hệ thống sở hữu những ưu nhược điểm riêng Có hệ thống tiết kiệm năng lượng nhưng phản hồi chậm hoặc không linh hoạt với thay đổi Ngược lại, một số hệ thống hoạt động mạnh mẽ nhưng yêu cầu nhiều tài nguyên Trong bối cảnh đó, việc triển khai một hệ thống mạng trở nên phức tạp khi phải lựa chọn mô hình phù hợp giữa vô vàn lựa chọn và đảm bảo sự tương thích giữa các mô hình Vì vậy, chúng ta tập trung nghiên cứu việc triển khai hệ thống dựa trên nền tảng IPv6 và sử dụng giao thức SNMP phổ biến, đơn giản để giám sát.
1.4 Tinh cấp thiết của đề tài
Với sự phát triển của công nghệ, xu hướng "Vạn vật kết nối Internet" (IoT) đang diễn ra, mọi thiết bị được cấp địa chỉ IP và kết nối mạng, cho phép giám sát và điều khiển từ xa Mạng cảm biến không dây (WSN) đóng vai trò quan trọng trong hiện thực hóa xu hướng này, thay thế các hệ thống cũ trong nhiều lĩnh vực như y tế, an ninh, quân sự Do đó, việc giám sát và quản lý các nút thiết bị là cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định, chính xác và đáng tin cậy của mạng, ngăn chặn và dự đoán các sự cố ảnh hưởng đến hệ thống.
Các hệ thống quản lý mạng lưới cảm biến đã được nghiên cứu nhằm đáp ứng mục đích này, song mỗi hệ thống lại có ưu và nhược điểm riêng biệt Nhược điểm chung lớn nhất của các hệ thống này là tính ứng dụng hạn chế và giao thức quản lý phức tạp đối với các thiết bị cảm biến có tài nguyên bị giới hạn Để giải quyết vấn đề này, cần thiết phải giới thiệu một hệ thống quản lý mạng gọn nhẹ sử dụng giao thức SNMP chuẩn hóa chạy trên nền tảng IPv6, đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của mạng quản lý cảm biến không dây và khắc phục các điểm yếu của các hệ thống trước đó.
1.5 Mục tiêu và hướng tiếp cận
Triển khai và đánh giá mạng giám sát cảm biến không dây 6LoWPAN sử dụng giao thức SNMP.
Mục tiêu triển khai: Triển khai được mạng giám sát cảm biến không dây sử dụng giao thức SNMP, hoạt động 6n định, chiếm dung ít tài nguyên hệ thông, năng lượng thiêu thụ thấp, chỉ phí triển khai thấp, có tính tương thích với mạng IP và các ứng dụng mang pho biến.
Mục tiêu đánh giá hiệu suất mạng: Đánh giá được các thông số như khả năng tương thích với mạng IP, bộ nhớ chiếm dụng SNMP Agent, năng lượng tiêu thụ, thời gian đáp ứng, tỉ lệ truy van thành công, tỉ lệ các gói frame bi mat.
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si
1.6 Phương pháp, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu và hướng tiẾp cận ©- - 11t t2 S SE 1111111111 1111 1111 re 14
Triển khai và đánh giá mạng giám sát cảm biến không dây 6LoWPAN sử dụng giao thức SNMP.
Mục tiêu triển khai: Triển khai được mạng giám sát cảm biến không dây sử dụng giao thức SNMP, hoạt động 6n định, chiếm dung ít tài nguyên hệ thông, năng lượng thiêu thụ thấp, chỉ phí triển khai thấp, có tính tương thích với mạng IP và các ứng dụng mang pho biến.
Mục tiêu đánh giá hiệu suất mạng: Đánh giá được các thông số như khả năng tương thích với mạng IP, bộ nhớ chiếm dụng SNMP Agent, năng lượng tiêu thụ, thời gian đáp ứng, tỉ lệ truy van thành công, tỉ lệ các gói frame bi mat.
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si
Phương pháp, đối tượng và phạm Vi nghiên eứu 55 5+s+s5+2 15
Dựa trên những hệ thống và phương pháp đã được nghiên cứu trước đó, cụ thé là mô hình 6LoWPAN và giao thức SNMP để triển khai và đánh giá một hệ thống mạng giám sát cho mang cảm biến không dây Dé tài cũng dé xuất việc tối ưu giao thức SNMP băng việc triển khai một SNMP Agent nhỏ gọn chạy trên các node cảm biến Để có thể triển khai các khối của mạng 6LoWPAN lên hệ thống mạng các thiết bị cảm biến hiện tại có một số hệ thống sử dụng hệ điều hành mã nguồn mở TinyOS [18] va Contiki, trong dé tai nay người viét chon hé diéu hanh Contiki Hiện tại hệ điều hành Contiki dang có cộng đồng hỗ trợ lớn, nó có kha năng tương thích với nhiều thiết bị phần cứng và hệ điều hành Contiki hỗ trợ cho việc mô phỏng trên phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây Cooja với số lượng thiết bị mô phỏng thực tế rất đa dạng và giao diện gan gũi.
Để triển khai và đánh giá hiệu suất của hệ thống mạng giám sát cảm biến không dây, đề tài nghiên cứu xây dựng một mô hình mô phỏng gồm 30 nút cảm biến tương tác trực tiếp với mạng IP (IPv6) Mô hình thực tế triển khai bao gồm 2-5 cảm biến TelosB được quản lý và giám sát thông qua mạng.
Các thông số dé tài sử dung để đánh giá hiệu suất của hệ thống giám sát mang cho mạng cảm biến không dây bao gồm:
- Tính tương thích và khả năng làm việc với cơ sở mạng IP hiện có.
- Khả năng tận dụng những phần mềm, những ưu điểm của bộ giao thức SNMP và các phần mềm giám sát mạng hiện có.
- Khả năng hoạt động ôn định và chính xác thông qua các thông số như: e Thời gian đáp ứng của hệ thông: Tính bang khoảng thời gian khi người quan tri hoặc máy trạm gửi thông tin truy van cho đến khi nó nhận được bản tin đáp trả. e Tỉ lệ thành công truy van: Được đo bang việc thông kê gói tin truy van gửi đi trong một khoảng thời gian so với số gói tin đáp trả nhận được. e Khả năng xử lý của hệ thống: được đo bằng số node tối da mạng có thể quản lý, khả năng tự vận hành, tự đăng ký và khôi phục của một node mạng
- Tỉ lệ chiếm dụng bộ nhớ của chương trình SNMP Agent khi cài đặt lên một thiết bị sensor
- Năng lượng tiêu thụ của node cảm biên.
Y nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5-5 S5 ScSeSscecerrrrrerreee l6 CHƯƠNG 2: HE THONG MẠNG CAM BIEN KHÔNG DẦY
Như đã trình bày ở trên khi triển khai giao thức quản lý cho mạng WSN thì gặp phải van dé đó là các thiết bi cảm biến bị giới hạn về năng lượng bộ nhớ và khả năng xử ly, các thiết bị phải hoạt động trong môi trường có tuổi thọ thấp, trong khi cần đảm bảo sự hoạt động ôn định lâu dai và linh hoạt của mạng Nếu sử dụng triển khai một hệ thống mạng quản lý mà chỉ mang tính đặc thù thì hệ thống đó chỉ tồn tại ma không thé phát triển cũng như được ứng dụng nhiều trong thực té. Đề tai có ý nghĩa khoa học khi thiết kế một hệ thong tuong đối toàn diện đáp ứng day đủ các chỉ tiêu của một mạng quản lý và giám sát, mạng có thé hoạt động với hiệu suất cao vì không chiếm nhiều tài nguyên bộ nhớ và vi xử lý, dành hầu hết khả năng tài nguyên cho các nhiệm vụ chính khác của mạng Mạng sử dụng mô hình 6LoWPAN, là mô hình mạng IPv6 đã được chuẩn hóa cho các thiết bị không dây bị giới hạn về tài nguyên giúp mạng có thé làm việc được trên nền TCP/IP, giao tiếp với các mạng khác như một mang IP truyền thống.
Mạng 6LoWPAN cho phép việc tiết kiệm băng thông nhờ các thuật toán tối ưu và các giao thức định tuyến hiệu quả Việc xử lý các gói tin IPV6 không 16 cũng trở nên đơn giản nhờ việc chia nhỏ và chuyển đôi lớp xử lý, một frame chỉ có 127 bytes thay vì xử lý một gói tin 1280 bytes 6LoWPAN sử dụng chuẩn
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si
IEEE 802.15 4 lớp MAC va lớp vật lý cho phép việc tránh xung đột, tăng tốc độ truyền, tiết kiệm năng lượng Bên cạnh đó đề tài triển khai giao thức SNMP được tối ưu bang một số phương pháp như việc triển khai SNMP Agent chiếm dụng bộ nhớ thấp phù hợp cho việc cài đặt và hoạt động trên các thiết bị của mạng cảm biến Việc triển khai này không làm thay đổi phương thức làm việc, hay ảnh hưởng đến các thành phan khác của bộ giao thức SNMP truyền thống Người quản trị có thé đứng từ xa lay thông tin và quản lý mạng thông qua mang Internet.
Nhờ những ưu điểm trên mà hiện tại nó đang triển khai trong các hệ thống mạng quản lý và giám sát cho nhiều ứng dụng Một SỐ lượng lớn các thiết bị nhúng hiện tại đã cho phép việc hỗ trợ triển khai mạng 6LOWPAN thông qua bộ giao thức mạng RIME, hay ulP trên hệ điều hành Contiki Hiện dé tài đã thực hiện thành công việc triển khai hệ thống này lên thiết bị phần cứng thật TelosB và nhận thay rang nó đang hoạt động tốt và tương đối ôn định Chương 6 nói về việc mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng sẽ phân tích kỹ càng và chứng minh tính thực tê của đề tài hơn nữa.
Khái niệm mang cảm biến không dây va ứng dụng 5-55-5¿ 18
Khái niệm mạng cảm biến không dây ¿2-5 + 2 252+S+£+£z££££+Ez£zcee 18
Mạng cảm biến không dây được tạo thành bởi một tập các node cảm biến có chức năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh cho các mục đích ứng dụng khác nhau Một mạng cảm biến có thể có rất nhiều các node cảm biến, tùy theo mô hình lựa chọn và ứng dụng, nó phải đảm bảo các yêu cầu: Chất lượng dịch vu, khả năng chịu lỗi, hao mòn, thời gian sử dụng, khả năng mở rộng, tudi thọ và có thể được tái sử dụng cho các ứng dụng khác nhau.
2.1.2 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Smart Cities Smart Smart Security & RetailEnvironmen Metering Emergencie
Logistics Industrial Smart Smart i97 -khiệu eHealth
Hình 2.1: Các ung dung cua mang cảm biên không dây
- Ứng dụng cho ngôi nhà thông minh: Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây cho một tòa nha là việc quản ly năng lượng các thiết bi, giúp bật tắt các thiết bị như máy điều hòa, máy sưởi, hệ thống đèn điện, giám sát, đảm bảo an ninh cho tòa nhà khi người chủ không có nhà hay cảnh báo nguy cơ cháy nỗ và khi bị xâm nhập trái phép.
- Ứng dụng cảnh báo thiên tai và giám sát môi trường: Các node cảm biến được gan ở trong các khu rừng để đo nhiệt độ và cảnh báo khi có cháy hay trong
Các ứng dụng của mang cảm biến không dây -. 2 2 55525255552 18
các khu vực thời tiết khắc nghiệt để do độ âm hay sự biến đôi môi trường như ở các cực, các sa mạc trên trái đất.
- Ứng dụng trong nông nghiệp và chăn nuôi: Mạng cảm biến không dây có thé được ứng dụng trong nông nghiệp như dùng dé đo độ âm, nhiệt độ, sức gió dé phục vụ cho quá trình trồng trọt hay trong chăn nuôi có thể giám sát tình hình sức khỏe, điều kiện sống của vật nuôi hay giám sát lộ trình di chuyền của các đàn vật nuôi.
- Ung dung trong quan su: Đề do thám, xác định vi trí, phát hiện quân địch, để điều khiến và kích nỗ các vũ khí hẹn giờ và rất nhiều các ứng dụng khác nữa.
- Ứng dụng trong vận tải: Xác định vị trí của các phương tiện, dự doán các trục trac có thé xảy ra cho phương tiện,
- Ứng dung trong y tế: Các thiết bi được cay vào trong người để giám sát tình trang sức khỏe của bệnh nhân từ xa Vi dụ như nhịp tim, do huyết áp đo nhiệt độ cơ thể.
- Trong công nghiệp: Như giám sát hoạt động của các máy công nghiệp, cảnh báo những vẫn đề có thể xảy ra với máy móc, như máy hoạt động quá tải,máy bị ngừng hoạt động, cảnh báo khi chất lượng sản phẩm không đạt yêu cầu,hay bị sai dây chuyên.
Các mô hình cau trúc mạng cảm biến không dây 5-5-5 55552 19
Cơ bản chia ra làm 2 mô hình: Single-hop và Multi-hop network
- Mô hình Single-hop: Là mạng bao gồm các node cảm biến chỉ làm việc với trạm gốc mà không thông qua bất cứ một node trung gian nảo trong tất cả các vẫn đề bao gồm cả việc định tuyến, mạng được ứng dụng trong mô hình nhỏ, dễ quản lý nhưng mạng khó mở rộng, không linh hoạt Đối với mạng này việc định tuyến cũng đơn giản, các gói tin tới trạm gốc có thể được gửi quảng bá ra tất cả các node Một sô giao thức định tuyên cho mạng sẽ được đê cập ở các phân sau.
- Mạng Multil- hop: La mạng có các kết nối trung gian giống đô hình của một mạng Internet, để một node có thể kết nỗi đến trạm sốc có rất nhiều con đường đi Trong một số mô hình mang thì một node đều ngang hang, ngoài nhiệm vụ cảm biến nó còn làm nhiệm vụ là bộ định tuyến Một mô hình mạng pho bién hiện nay là mang Mesh, nó cho phép một node cảm biến có tat cả các kết nối của các node lân cận nó.
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si mn g = 5
B Pe ĐI ¢ É , | Anse, Fest TẾ i,
= ý Jjp5 ae = a = & ~ ER/ ) man [ vip g : 5 Bà BI OP) sae) eee ge | Fea: ơ BE ese ee RE _\ eile
Hình 2.4: Mô hình mạng Mesh
2.3 Chong giao thức mạng cảm biến không dây
Hình dưới miêu tả chồng giao thức làm việc giữa node cảm biến không dây và trạm gốc Chồng giao thức bao gồm các lớp vật lý, liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao vận, lớp ứng dụng Lớp vật lý chịu trách nhiệm cho các phương pháp điều chế tối ưu, các kỹ thuật truyền và nhận tín hiệu, một số chuẩn và mô hình sử dụng cho lớp vật lý sẽ được nói đến trong chương 4: Hệ thông mạng 6LoWPAN.
Lớp mạng chịu trách nhiệm cho việc định tuyến dữ liệu được cung cấp từ lớp giao vận Lớp giao vận chịu trách nhiệm duy trì luồng dữ liệu cho các ứng dụng Trong đề tài, giao thức SNMP là một giao thức lớp ứng dụng.
Transport Layer Network Layer Task-Management Plane
Data-Link Layer Physical Layer Power-Management Plane \ Mobility-Management Plane
Do tính đặc thù của mạng cảm biến không day, cần phải có sự quan ly về năng lượng, tính di động và quản lý công việc.
- Kế hoạch quản lý năng lượng: là liên quan đến việc quản lý các thiết bị cảm biến sử dụng năng lượng và sự tiêu hao năng lượng dành cho các hoạt động của nó bao gồm cảm biến, xử lý dữ liệu, truyền nhận không dây Ví dụ, để tránh việc nhận một bản tin bị trùng, trong cơ chế gói tin gửi quảng bá, một thiết bị cảm biến có thé tat chế độ thu sau khi nó nhận được ban tin của một trong những node xung quanh, hoặc việc phát công suất phù hop không quá lớn dé tránh bị chồng lan vùng phủ, phân phối và dành năng lượng cho các hoạt động cảm biến và phát hiện các tiến trình công việc, sử dụng các phương pháp tối ưu để tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời gian hoạt động của mạng.
Kế hoạch quản lý tính di động trong mạng cảm biến không dây cho phép phát hiện và đăng ký lại các node cảm biến khi chúng thay đổi vị trí hoặc ngừng hoạt động Quản lý tính di động đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì khả năng liên lạc và hiệu suất của mạng cảm biến, vì hệ thống cần theo dõi vị trí hiện tại của các node để duy trì kết nối đường truyền.
- Kế hoạch quản lý công việc: chịu trách nhiệm cho việc điều phối và cân bằng công việc trong một node, ví dụ trong một mạng sẽ có node thực hiện nhiệm vụ cảm biến thông tin môi trường, một số node khác thực hiện việc định tuyến, hoặc có thể làm cả 2 công việc tùy thuộc vào mô hình hoặc mức năng lượng còn lại của một node.
2.4 Các thành phần của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây về căn bản bao gồm 2 thành phần: Trạm gốc và các node cảm biến tô chức theo nhiều mô hình khác nhau.
- Trạm sốc: Chịu trách nhiệm thu gom các dữ liệu cảm biến của các node trong mang, do đó nó cần có giao tiếp không dây với các node cảm biến, và một giao tiếp đến mang quản ly Trạm gốc có thé là một node cảm biến thông thường nhưng không chịu trách nhiệm cảm biến thông tin môi trường, mà chịu trách nhiệm nhận thông tin của các node trong mạng Thường thì trạm sốc sẽ được đặt
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si cô định, có tài nguyên lớn hon so với các node trong mang, trong nhiều trường hợp nó là một PC, và được tích hợp hệ thống quản lý.
- Node cảm biến không dây: Bao gồm các bộ phận
Hình 2.6: Cau tạo của một node cam biên
+ Bộ phan cảm biên: chịu trách nhiệm cảm biên các thông sô ở môi trường xung quanh như cảm biên nhiệt độ, ánh sáng, độ âm, áp lực, sức gió, nông độ hóa học, chuyển dong,
+ GPS: Chiu trách nhiệm xác định vi trí địa ly cua node mạng, điều này rất cần thiết dé kịp thời xử lý các van đề liên quan đến khu vực của nó, đồng thời xác định nhanh vị trí để tiễn hành sửa chữa hay thay thế khi thiết bị gặp vẫn đề.
+ Memmory: Bao gồm RAM và Flash ROM, thường có dung lượng không nhiều, chỉ đủ chứa những chức năng xử lý cảm biến, hệ điều hành, và các tiến trình thực hiện việc giám sát như SNMP Agent mà đề tài trình bày Việc tiết kiệm RAM/ROM đối với thiết bị cảm biến là rất cần thiết, bởi vì ngoài nhiệm vụ và các tiễn trình hoạt động chính của cảm bién, nó còn phải thực hiện rất nhiều nhiệm vụ khác để duy trì liên lạc, định tuyến, tương tác với các mạng khác.
Năng lượng cung cấp thường là rất hạn chế, do kích thước của các cảm biến nhỏ Hiện nay, có một số node cảm biến có cả bộ chuyển đôi năng lượng mặt trời, giup cho thiết bị có thé hoạt động lâu hơn Phần máy thu phát vô tuyến chịu công suất phát của các thiết bi cảm biến rất nhỏ, khoảng vai mW Các kỹ thuật lớp vật ly chuẩn IEEE 802.15.04 giup cho cac thiết bị cam biến tận dụng được những ưu điêm như điêu chỉnh công suât, tang toc độ truyền, và tránh can nhiều.
Bộ điều khiến là cốt lõi của một nút cảm biến không dây Nó thu thập dữ liệu từ các cảm biến, xử lý dữ liệu này, quyết định thời gian và địa điểm gửi dữ liệu đến, nhận dé liệu từ các nút cảm biến khác va quyết định hành vi của các cơ cau chấp hành Ngoài ra, nó còn thực hiện các chương trình khác, sắp xếp các giao thức giao tiếp và xử lý tín hiệu theo thời gian tới hạn và các chương trình ứng dụng Nó là khối xử lý trung tâm (CPU) của một node cảm biến.
Một trong những phương pháp tiết kiệm năng lượng cho các node cảm biến không dây là CPU sẽ được đặt vào trạng thái nghỉ, chỉ có một phần hoạt động dé cảm biến thông tin môi trường Một số vi xử lý phổ biến là MSP 430, Intel
Surface Lighting SmartDin SmartPlug Pulse meter Metering Temperature Meter aise | EnergyWise [age] EnergyWise unix] EnergyWise TIC, Current loop, pulse c— ready as ready ES & Energy control
Hình 2.7: Một số node cam bién 2.5 Các giao thức định tuyến mạng không dây
Các giao thức định tuyến mạng không dây 5-5-5 +c+csccscsc 24
Giao thức định tuyến GOSSIPING ¿- 525222222 E2EEEEEvEerkrkrrrrerrrree 25
Giao thức này thay thế cho giao thức Flooding khi không sử dụng cơ chế quảng bá như Flooding Thay vào đó, nó thực hiện định tuyến gói tin chậm hơn, từ đó tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Giao thức định tuyến LEACH - ¿2E E2 S23 E£E#EEEEEEEESEEEEEEEEEErErrrreee 25
Là giao thức dựa trên sự tự động tô chức và thích ứng của từng cụm, nó có ưu điểm là tự động xoay vòng các trạm chính (Cluster-heads) để phân phối năng lượng đều nhau giữa các node trong mạng Nó tô chức như sau: Trạm sốc sẽ được đặt cố định và cách xa các node cảm biến, các node cảm biến này được sắp xếp đồng nhất thành các cum theo mức năng lượng mà các node cảm biến nhận được, mỗi cụm sẽ có một cluster-heads đóng vai trò như những bộ định tuyến để dẫn đường gói tin về tram gôc.
€Đ Cluster Head EN Cluster Node
Hình 2.8: Cấu trúc hoạt động của giao thức LEACH Hoạt động của LEACH bao gồm 2 giai đoạn chính là thiết lập và ôn định
- Giai đoạn thiết lập bao gồm: 3 hoạt động là quảng bá Cluster-header, thiết lập cụm, tạo bộ lịch trình truyền dữ liệu.
- Giai đoạn ồn định bao gom: 3 hoạt động la truyền dữ liệu tới các cluster- header, xử lý dữ liệu, truyền dữ liệu về trạm goc.
‘TimeHinh 2.9: Hai giai doan lam viéc cua phuong phap LEACH
Giao thức định tuyến GEAR (Geographical and Energy Aware Routing)
Hoạt động dựa trên co chế nhận biết mức năng lượng và những thông tin về vị trí địa lý của những node hàng xóm để định tuyến gói tin tới đích Các điều kiện hoạt động của giao thức này là các node phải cố định không di chuyển, cần
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si có một hệ thông định vi dé các node có thê biêt được vi trí của nó, một node can phải biệt thông tin về vi tri của nó, mức năng lượng còn lại cùng các thông tin vê vị trí và mức năng lượng của các node xung quanh nó.
Giao thức GEAR hoạt động dựa trên hai giai đoạn: giai đoạn một dựa vào thông tin năng lượng và vị trí của các nút xung quanh để định tuyến đến khu vực chứa nút đích; giai đoạn hai định tuyến trong khu vực chứa nút đích bằng thuật toán đệ quy chuyền tiếp để chuyển gói tin đến đích.
Giao thức định tuyến SPIN - 5-5252 12 E1 1 1115131111 111115111 01111 xe 27
Là một dạng của giao thức định tuyến thích nghi cho mang WSN, nó được thiết kế với mục đích tránh những hạn chế của giao thức định tuyến Flooding.
Giao thức này sử dụng 2 phương pháp chính là thương lượng dữ liệu (nó sẽ tim hiểu xem các node xung quanh nó can những dữ liệu nào, để nó chỉ gửi những dữ liệu đó đi mà không phải toàn bộ dữ liệu mà nó có) và thích nghi tài nguyên.
SPIN là giao thức hướng tới mục tiêu hoạt động có hiệu suất nhưng tiết kiệm năng lượng Các node chỉ gửi dữ liệu mang tính đặc thù của nó, ví dụ như dữ liệu mà nó cảm biến được từ môi trường bên ngoài, nó sẽ không gửi những dữ liệu mà các node khác đã có rồi Các node trong mạng phải có khả năng nhận biết và đo đạc được năng lượng tiêu thụ của chính nó để từ đó phân phối và điều chỉnh năng lượng cho các chương trình chạy phù hợp SPIN có 3 bản tin chính là ADV, REQ, DATA.
-ADV: Khi có dữ liệu cần gửi nó sẽ quảng bá cho tat cả các node mang biết
- REQ: Khi một node nhận được bản tin ADV, và trả về bản tin REQ nếu các dữ liệu đó là cần thiết với nó
- Data: Bản tin chứa dữ liệu thông tin cảm biến
Tuy giao thức định tuyến theo dữ liệu có lợi và tránh được việc dữ liệu bi trùng trong phương pháp Flooding, nhưng nó vẫn có một số hạn chế như việc mở rộng mạng, trạm sốc thực hiện nhiều thủ tục làm cho các node trong mạng phải hoạt động liên tục gây tốn năng lượng, SPIN không đảm bảo cho việc truyền dữ
Chương 2 trình bay tổng quan nhất về mang cảm biến không day, cho biết chồng giao thức hoạt động, ứng dung của mạng, cau trúc và cau tạo các thành phân của mạng cảm biến Cuối cùng là một số phương pháp định tuyến được sử dụng trong mạng WSN Vi dé tài không tập trung vào các van dé bao mật và định tuyến nên sẽ không trình bày quá chỉ tiết về một phương pháp định tuyến nào.
Việc hiểu hoạt động và các đặc điểm của mạng là cơ sở để thiết kế và triển khai các hệ thông quản ly và giám sát mạng cảm biến không dây ở các chương kế tiếp.
GIAO THỨC SNMP .- tình re 29
Các khái niệm cơ bản và nguyên lý hoạt động của giao thức SNMP 29 3.3 Khái niệm định danh Object ID - - - ( SG GB ĐH ng 32
Giao thức SNMP được viết tắt là Simple Network Management Protocol, hay được gọi là giao thức quản lý mạng đơn giản, giao thức SNMP năm ở lớp 7 của mô hình OST và có nhiệm vụ giám sát, quản lý các thiết bị mạng từ xa về các thông tin phần cứng cũng như phần mềm, trạng thái của thiết bị, trạng thái của các port trên thiết bi, lưu lượng xử lý, tên thiết bị, năng lực xử lý hiện thời của thiết bị.
Chỉ cần hệ thong được chạy trên nền IP thì giao thức SNMP có thé được triển khai Giao thức SNMP có cơ chế hoạt động đơn giản, chỉ thông qua cơ chế yêu cầu và đáp trả thì thông tin của mạng có thé được thu gom day đủ Nhờ vậy mà người quan trị sẽ đưa ra các phương pháp phù hợp dé tối ưu và đảm bảo sự hoạt động của thiết bị Cũng như tat cả các giao thức khác, yếu t6 bảo mật cũng được quan tâm đến, hiện tại với SNMPv3 đã cho phép bảo mật với các kỹ thuật mã hóa tôi ưu.
Appication layer (SNMP) Transpo layer (UDP)
Inlernet layer (I2) Network Interface layer (40BaseT)| 7
Application layer (SNMP) Transport layer (UDP) L Internet layer (¡P!
{ 4 Y Ỷ ae A SNMP Manager alee = => = wert? LS} 1 i] * sen _
SMS l ! Rooms v h _—_ = BU — Management Management Menegervont Management
ioLogik ates : Database — “Denese = OnCell G2110 ieLogik E4200 - en
Intrusion Intrusion Temp Fire Fire Humidity Leakage Leakage
- Cac thanh phan cua mang SNMP:
Mang SNMP về cơ ban bao gôm 2 thành phan như sau:
N SNMP protocol management |——” — Network — station element NetworkSNMP protocol | management
Hình 3.2: Mô hình hoạt động SNMP
+ NMS (Network Management Station): Trạm quan lý mạng là một Server chạy các phần mềm quan lý mang (SNMP Aplication), với mục đích giám sát va điều khiến tập trung các nút mạng Một NMS có thé quản lý được nhiều node mạng.
+ NE (Network Element): Là các node mạng can được quan lý, có thé là một Router, một Switch, một máy tinh, hay một thiết bị bất ky nào đó, miễn là các thiết bị đó có khả năng cài đặt phần mềm SNMP Agent Một node mạng cũng có thé được quan lý bởi nhiều NMS.
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si
Network management Network station element
Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động SNMP
SNMP Appication là một phần mềm cai đặt trên NMS, nó có chức năng tao ra những gói tin truy vẫn (Request) đến các node, sau khi nhận được các response, nó sẽ chịu trách nhiệm lưu trữ và hién thị thông tin cho người quản tri, SNMP Agent cũng là một phần mềm nhưng nó giống một tiến trình cài đặt và chạy ngầm trên hệ điều hành của thiết bị mạng NE (network element), nó chịu trách nhiệm nhận yêu cau từ NMS, sau đó lay thông tin trên thiết bị nó đang chạy, trả thông tin về cho NMS thông qua bản tin Response Hiện tại trên hệ điều hành Window, Linux có rất nhiều ứng dụng SNMP để quản lý thông tin của các thiết bị, chỉ cần cài đặt phần mềm tại một máy A và cho phép tiễn trình SNMP Agent trên máy B là có thể thiết lập được một mạng giám sát đơn giản.
Ngoài khái niệm trên, hệ thống còn một khái niêm rất quan trọng đó là bộ cơ sử dữ liệu thông tin MIB, nó được sử dụng trong hoạt động của cả SNMP Application va SNMP Agent.
- Cơ ché làm việc của SNMP:Gia sử ta muôn lây thông tin về tên cua một thiết bị trong hệ thống thì tiễn trình sẽ được thực hiện như sau:
Tên của Device 1 là gì ? Manager [ Device 1
Gửi request có OID = 1920.41.2112 sÚ
Mở “tur điển” RFC1213 : sysName có OID là 1.3.6 1.2.1 1.5
Dò tử điển RFC1213 : Oh, 1.3.6 1.2.1.1.5 là sysName.
Mình chỉ có 1 tên là T32 021 2 23012/12)9s 0 "SuperComputer“ ! và value = “SuperComputerTM
Ah, tên của Device 1 là N
Hinh minh hoa qua trinh lay sysName.0
Bước 1: Trên giao diện người dùng, hệ thống được yêu cầu cung cấp thông tin tên thiết bị số 1 Phần mềm quản lý sẽ tra cứu trong file MIB (cơ sở thông tin quản lý) để ánh xạ một đối tượng thông tin với một OID (mã định danh đối tượng) duy nhất Trong trường hợp này, sau khi tra MIB thì "Sysname" sẽ có OID tương ứng là "1.3.6.1.2.1.1.5".
+ Bước 2: Một tin nhăn request chứa đựng OID của “Sysname” sẽ được gởi tới cho thiết bị 1.
+ Bước 3: Khi nhận được tin nhắn request, SNMP Agent trên thiết bị 1 sẽ có nhiệm vụ bóc tách các trường thông tin trong tin nhăn, dé lay ra OID, sau khi lay được OID nó sẽ tìm kiếm thông tin của OID nay trong bộ MIB được lưu trữ của nó trên thiệt bị 1 Trong ví dụ này tên của device | sẽ là Supercomputer †”.
+ Bước 4: Sau khi có được thông tin cua OID, nó sẽ trả về cho NMS thông qua tin nhan response.
+ Bước 5: Thông tin sẽ được hiện thi cho người quản tri.
3.3 Khái niệm định danh Object ID
Một thiết bị hỗ trợ SNMP có thể cung cấp nhiều thông tin khác nhau, mỗi thông tin đó gọi là một đối tượng Máy tính có thể cung cấp các thông tin: Tổng số 6 cứng, tong số port nối mang, tổng số byte đã truyền/nhận, tên máy tính, tên các tiến trình đang chạy Bộ định tuyến có thé cung cấp các thông tin: Tổng số card, tổng số port, tong số byte đã truyén/nhan, tén bo dinh tuyến, tình trạng các port cua router.
Một số Object ID đã được quy định trong bộ RFC 12113:
- _ Tên thiết bị được gọi là sysName, OID là 1.3.6.1.2.1.1.
- Tổng số port giao tiếp (Interface) được gọi là ifNumber, OID là
- Dia chi Mac Address của một port được gọi là ifPhysAddress, OID là 1.3.6.1.2.1.2.2.1.6.
- Luu lượng đã nhận trên một port được gọi là iffnOctets, OID là1.3.6.1.2.1.2.2.1.10
TRIEN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC LIGHTWEIGHT SNMP CHO MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY Luan van Thac si
3.4 Cac phuong thirc thu thap thong tin cua SNMP
Quá trình thu thập thông tin của các phan tử mang của hệ thống giám sát bằng giao thức SNMP hiện tại chia làm 2 phương thức:
Manager Device Manager | Device | ¡ Request #1 ~ i Alert #1 ' Event #1 ' a mTM
H Response #1 , Ũ we $ we h Ũ ler LỆ © #2 ios '
