Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP IP cho mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ***** ĐẶNG THỊ SƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORKS) LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ***** ĐẶNG THỊ SƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WIRELESS SENSOR NETWORKS) Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS VƯƠNG ĐẠO VY Hà Nội - 2014 Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI NÓI ĐẦU LỜI CAM ĐOAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1 1.1 Giới thiệu chung 1 1.2 Đặc điểm và kiến trúc giao thức mạng 3 1.2.1 Đặc điểm 3 1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng 4 1.3 Ứng dụng 6 1.3.1 Thu thập dữ liệu môi trường 6 1.3.2 Giám sát an ninh 7 1.3.3 Theo dõi đối tượng 8 1.4 Kết luận 8 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 09 2.1 Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/IP trong mạng WSN 09 2.2 Giải pháp sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây 11 2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không gian 11 2.2.2 Nén tiêu đề 16 2.2.3 Định tuyến ứng dụng phủ 19 2.2.4 Bộ giao thức TCP/IP uIP 21 2.2.5 Lưu trữ TCP phân tán 29 2.3 Kết luận 34 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 35 3.1 Đánh giá các giải pháp đề xuất để sử dụng TCP/IP trong mạng WSN 35 3.1.1 Gán địa chỉ IP theo không gian 35 Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 3.1.2 Nén tiêu đề 37 3.1.3 Bộ giao thức TCP/IP uIP 38 3.1.4 Lưu trữ TCP phân tán 39 3.2 Tìm hiểu một ứng dụng của mạng WSN sử dụng TCP/IP 44 3.2.1 Giới thiệu 44 3.2.2 Nền tảng phần cứng 44 3.2.3 Hệ điều hành 45 3.2.4 Cơ chế và giao thức mạng 45 3.2.5 Đánh giá 47 3.3 Kết luận 48 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT WSN Wireless Sensor Networks TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol ROM Read-Only Memory RAM Random Access Memory GPS Global Positioning System RF Radio Frequency MAC Medium Access Control UDP User Datagram Protocol DHCP Dynamic Host Configuration Protocol SIPA Spatial IP Assigment SLIPA Scan-line IP Assignment RAHC Routing-Assisted Header Compression CNS Center at Nearest Sourc SPT Shortest Paths Tree GIT Greedy Incremental Tree RTP Real-time Transport Protocol ESB Embedded Sensor Board uIP Micro IP RFC Request for Comments ICMP Internet Control Message Protocol RTT Round-Trip Time API Application Program Interface ACK Acknowledgement SACK Selective Acknowledgement DTC Distributed TCP Caching RTO Retransmission timeout PDA Personal Digital Assistant NNTP Network News Transfer Protocol Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Một số điểm khác biệt giữa mạng WSN và mạng IP truyền thống 09 Bảng 3.1: Tỷ lệ gán thành công với các phân bố khác nhau 37 Bảng 3.2: So sánh DTC và NON-DTC với 6 hop 40 Bảng 3.3: So sánh DTC và NON-DTC với 11 hop 41 Bảng 3.4: Cải tiến lưu lượng với DTC 43 Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến 1 Hình 1.2: Cấu tạo của một node cảm biến 2 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 5 Hình 1.4: Tô pô dạng cây cho mạng thu thập dữ liệu môi trường 7 Hình 2.1: Sử dụng TCP/IP trong và ngoài mạng cảm biến không dây 10 Hình 2.2: Ví dụ về gán địa chỉ theo không gian và hai mạng con theo khu vực 12 Hình 2.3: Sắp xếp các node theo hướng Y 13 Hình 2.4 : Quét tất cả các node với j = 0 15 Hình 2.5: Gán địa chỉ cho các node với z = 1, SN = 0 15 Hình 2.6: Gán địa chỉ cho các node với z=2, SN=0 16 Hình2.7: Gán các node với z=0, SN=3 16 Hình 2.8: Hiển thị địa chỉ của tất cả các node 16 Hình 2.9: a, Định tuyến địa chỉ trung tâm b, Định truyến dữ liệu trung tâm 20 Hình 2.10: Vòng lặp điều khiển chính 22 Hình 2.11: Lưu trữ TCP phân tán 30 Hình 2.12: Việc truyền lại sai 32 Hình 2.13: DTC với SACK 34 Hình 3.1: Tỷ lệ gán thành công đối với các node cảm biến phân bố ngẫu nhiên 36 Hình 3.2: Tỷ lệ gán thành công đối với các node cảm biến phân bố theo chiều dọc 36 Hình 3.3: uIP gửi dữ liệu với trễ mô phỏng 10ms 39 Hình 3.4: Cấu trúc mô phỏng 40 Hình 3.5: Giảm tải DTC gần bộ gửi 41 Hình 3.6: So sánh RTT bởi bộ gửi TCP với DTC 42 Hình 3.7: RTT nội bộ gần với bộ gửi 43 Hình 3.8: RTT nội bộ gần với bộ nhận 43 Hình 3.9: Mạng với các node backbone, node cảm biến 46 Hình 3.10: Mạng cảm biến kết nối với mạng sao chép gồm các server NNTP 47 Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ các mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã và đang phát triển ngày càng mạnh mẽ và ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Mạng cảm biến không dây là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn lên đến hàng ngàn các cảm biến nhỏ. Mỗi cảm biến có một bộ vi xử lý nhỏ với đủ năng lượng cho phép các cảm biến tự thiết lập mạng nơi tập trung thông tin cảm biến cảm nhận được. Các mạng cảm biến có thể giám sát ở những nơi như các khu vực thảm họa hạt nhân hoặc miệng núi lửa mà không yêu cầu sự có mặt của con người. Nhiều ứng dụng mạng cảm biến không dây không thể thực hiện độc lập mà cần kết nối để giám sát và điều khiển các thực thể. Luận văn này khảo sát một phương pháp mới để kết nối mạng cảm biến không dây với các mạng đã tồn tại bằng cách sử dụng bộ giao thức TCP/IP trong mạng cảm biến không dây. Các cảm biến có thể kết nối trực tiếp với mạng ngoài mà không cần proxy server hoặc bộ chuyển đổi giao thức. Tuy nhiên, đưa bộ giao thức TCP/IP vào mạng cảm biến không dây là một nhiệm vụ đầy thử thách. Đầu tiên, do giới hạn về kích thước vật lý và chi phí thấp các node cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ và năng lực xử lý. Thứ hai, các ràng buộc này hạn chế khả năng thực hiện giao thức TCP/IP truyền thống trong các node cảm biến. Trong luận văn này, em sẽ thảo luận về một số giải pháp tối ưu để có thể sử dụng TCP/IP trong mạng cảm biến không dây. Nội dung của luận văn với đề tài “Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây” gồm có 3 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chương 2: Đề xuất các giải pháp để sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây Chương 3: Phân tích, đánh giá các giải pháp đề xuất Do kiến thức và khả năng của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung luận văn được hoàn thiện hơn. Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vương Đạo Vy – Bộ môn Hệ thống Viễn thông – Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp làm việc trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, gia đình và bạn bè luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận này. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Đặng Thị Sương Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN Đặng Thị Sương - K16Đ2 LỜI CAM ĐOAN Sau thời gian dài nghiên cứu và học tập, tôi đã hoàn thành luận văn của mình với sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa. Tôi xin cam đoan luận văn không có sự trùng lặp với các công trình khoa học, luận văn đã công bố, đảm báo tính trung thực rõ ràng và trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Học viên Đặng Thị Sương [...]... nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến Đặng Thị Sương - K16Đ2 Luận văn thạc sĩ 9 Đại học Công nghệ - ĐHQGHN CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/ IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/ IP trong mạng WSN Mạng cảm biến là một hệ thống thu thập thông tin dựa trên sự kết hợp của nhiều node cảm biến nhỏ Hầu hết các ứng dụng của node cảm biến là phát hiện, giám sát các hiện... hop mà các gói được truyền qua Có thể sử dụng TCP như là giao thức vận chuyển tin cậy trong mạng cảm biến, phương pháp này phải được phát triển để nâng cao chất lượng của TCP trong sự thiết lập riêng của mạng cảm biến Cơ chế lưu trữ TCP phân tán được đề xuất để giải quyết các vấn đề này 2.2 Giải pháp sử dụng TCP/ IP cho mạng cảm biến 2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không gian Đối với hầu hết mạng cảm biến, ... hình TCP/ IP là bộ giao thức phổ biến được sử dụng trong các mạng và được xem là một phương pháp tiềm năng cho việc kết nối mạng cảm biến với mạng TCP/ IP Bằng cách chạy trực tiếp bộ giao thức TCP/ IP trong mạng cảm biến không dây có thể kết nối trực tiếp mạng cảm biến với cơ sở hạ tầng mạng có dây mà không cần gateway hoặc node trung gian đặc biệt nào Hơn nữa kết nối được thực hiện đơn giản bằng cách... trong mạng Sử dụng định tuyến ứng dụng phủ là phương pháp để thực hiện định tuyến dữ liệu trung tâm và tập trung dữ liệu cho mạng cảm biến không dây TCP/ IP Giới hạn của node cảm biến: Để mạng cảm biến không dây có tính khả thi, các node cảm biến thường bị giới hạn về bộ nhớ và năng lực xử lý Việc thực hiện TCP/ IP truyền thống đòi hỏi quá nhiều nguồn tài nguyên cả về kích thước mã và bộ nhớ sử dụng đối... 2.2.1.1 Phương pháp gán địa chỉ SIPA Đối với một số ứng dụng trong mạng cảm biến, địa chỉ duy nhất của mỗi node cảm biến cụ thể là không cần thiết, dữ liệu thu thập bởi các cảm biến mới là sự quan tâm chính Cơ chế gán địa chỉ IP theo không gian (SIPA – Spatial IP address Assignment) đã được đề xuất [4] để cung cấp địa chỉ semi-unique tới các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây TCP/ IP Với việc... dù vậy, TCP/ IP có thể áp dụng được trong mạng WSN bằng một số cơ chế tối ưu sẽ được phân kỹ hơn trong phần sau của chương này Hình 2.1: Sử dụng TCP/ IP trong và ngoài mạng cảm biến không dây Ta phân tích một số vấn đề nảy sinh khi sử dụng TCP/ IP trong mạng cảm biến như sau: Cấu trúc địa chỉ IP: Trong mạng IP truyền thống, địa chỉ của mỗi host được gán dựa vào cấu trúc mạng gồm hai phần: địa chỉ mạng và... node tới mạng TCP/ IP Trong khi, UDP được dùng để truyền dữ liệu cảm biến tới nút sink, TCP được sử dụng cho các nhiệm vụ quản trị đòi hỏi sự tin cậy như truyền cấu hình từ máy chủ trung tâm hoặc tải chương trình tới các node cảm biến và các nhiệm vụ quản trị khác Tuy nhiên, bộ giao thức TCP/ IP được xem không phù hợp với mạng cảm biến do các yêu cầu và điều kiện kết nối khắt khe mà mạng cảm biến thực... các ứng dụng này, mạng cảm biến không dây không thể hoạt động độc lập một cách hoàn toàn mà phải được kết nối tới mạng ngoài để quản lý dữ liệu thu được bởi mạng cảm biến Việc truy nhập từ xa có thể thực hiện bằng cách kết nối mạng cảm biến với cơ sở hạ tầng mạng sẵn có như mạng Internet toàn cầu, mạng nội bộ…Việc kết nối này gặp nhiều thử thách do mạng WSN có nhiều đặc điểm khác biệt so với mạng IP. .. bởi các node cảm biến cần phối hợp với vị trí không gian nơi dữ liệu được cảm nhận Vì vậy, các phương pháp gán địa chỉ theo vị trí không gian của các node cảm biến được đề xuất Gán địa chỉ IP theo cách truyền thống dựa vào cấu trúc mạng Trong khi đó, phương pháp gán địa chỉ IP theo không gian sử dụng vị trí của node để xây dựng địa chỉ IP Trong phần này ta xem xét hai cơ chế gán địa chỉ SIPA và SLIPA... mạng cảm biến phạm vi rộng vì DHCP sử dụng truyền thông đa hop khoảng cách ngắn Hơn nữa, cơ chế DHCP yêu cầu tiêu đề giao tiếp khá tốn kém Mạng cảm biến không dây khắc phục nhược điểm này bằng sử dụng một số cơ chế gán địa chỉ theo không gian để cung cấp địa chỉ cho các node cảm biến Chi phí tiêu đề: Các giao thức trong bộ giao thức TCP/ IP có kích thước trường tiêu đề lớn, đặc biệt là đối với các gói . một số giải pháp tối ưu để có thể sử dụng TCP/ IP trong mạng cảm biến không dây. Nội dung của luận văn với đề tài Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP/ IP cho mạng cảm biến không dây gồm. TCP/ IP CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 09 2.1 Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/ IP trong mạng WSN 09 2.2 Giải pháp sử dụng TCP/ IP cho mạng cảm biến không dây 11 2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không. phương pháp mới để kết nối mạng cảm biến không dây với các mạng đã tồn tại bằng cách sử dụng bộ giao thức TCP/ IP trong mạng cảm biến không dây. Các cảm biến có thể kết nối trực tiếp với mạng