Đánh giá hiệu năng của giao thức mạng không dây cá nhân Zigbee

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUANG DƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC MẠNG KHÔNG DÂY CÁ NHÂN ZIGBEE LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN QUANG DƢƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC MẠNG KHÔNG DÂY CÁ NHÂN ZIGBEE Ngành : Công nghệ thông tin Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Nguyễn Đình Việt HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn “Đánh giá hiệu năng của giao thức mạng cá nhân không dây Zigbee” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Đình Việt. Các số liệu được trình bày trong luận văn do tôi tự thực hiện mô phỏng, đo đạc. Tác giả luận văn NGUYỄN QUANG DƢƠNG MỤC LỤC Trang Lời cam đoan MỤC LỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 3 1.1. Lịch sử hình thành mạng không dây 3 1.2. Phân loại các mạng không dây phổ biến 5 1.2.1. Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) 6 1.2.2. Mạng WLAN (Wireless Local Area Network) 8 1.2.3. Mạng WMAN (Wireless Metropolitian Area Network), WWAN ((Wireless Wide Area Network) 10 1.2.4. Mạng Tế Bào (Cellular Network) 11 1.3. Chuẩn IEEE 802.11 và một số vấn đề trong mạng không dây cự li ngắn 12 1.3.1. Vấn đề trạm ẩn, trạm lộ 12 1.3.2. Cơ chế CSMA/CD và CSMA/CA với gói tin biên nhận ACK 14 1.3.3. IEEE 802.11 và cơ chế CSMA/CA+ACK+RTS/CTS 15 Chƣơng 2: CÁC MẠNG KHÔNG DÂY WPAN THEO CHUẨN IEEE 802.15.1 VÀ IEEE 802.15.3 18 2.1. Chuẩn IEEE 802.15.1 và mạng Bluetooth 18 2.1.1. Kiến trúc mạng không dây Bluetooth (IEEE 802.15.1) 18 2.1.2. Tầng Vật lí 20 2.1.3. Tầng MAC: 21 2.2. Chuẩn IEEE 802.15.3 và mạng UWB 22 2.2.1. Kiến trúc mạng không dây UWB (IEEE 802.15.3) 22 2.2.2. Tầng vật lí 25 2.2.3. Tầng MAC 26 Chƣơng 3: ZIGBEE VÀ KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.15.4 31 3.1. Các thành phần của mạng WPAN 802.15.4 – Zigbee 31 3.2. Phân loại Tô-pô mạng trong WPAN 802.15.4 31 3.2.1. Tô-pô mạng hình sao 31 3.2.2. Tô-pô mạng ngang hàng 32 3.2.3. Tô-pô mạng Cây Phân Cụm (Cluster-Tree) 32 3.3. Kiến trúc tổng quan của mạng LR-WPAN IEEE 802.15.4 và Zigbee 33 3.4. Mô hình truyền dữ liệu 36 3.4.1. Truyền dữ liệu đến Coordinator 36 3.4.2. Truyền dữ liệu từ Coordinator 37 3.4.3. Truyền dữ liệu từ các thiết bị ngang hàng 38 3.5.Tầng Vật lí của Zigbee (IEEE 802.15.4) 38 3.5.1.Tổng quan kiến trúc tầng vật lí của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 38 3.5.2. Băng tần sử dụng trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 39 3.5.3. Các chức năng của tầng vật lí 40 3.6. Tầng MAC của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 41 3.6.1. Tổng quan cấu trúc của tầng MAC trong Zigbee (IEEE 802.15.4) 41 3.6.2. Cấu trúc các khung trong tầng MAC 42 3.6.3. Cơ chế điều khiển truy nhập trong tầng MAC 45 3.6.4. Một số chức năng khác của tầng MAC 51 3.7. Tầng Mạng trong mạng Zigbee 55 3.7.1. Tổng quan tầng mạng trong Zigbee 55 3.7.2. Khuôn dạng dữ liệu tầng mạng 58 3.7.3. Chức năng định tuyến của tầng mạng 62 3.7.4. Tổng kết các chức năng của tầng mạng 72 3.8. Tầng Ứng dụng trong mạng Zigbee 72 3.8.1. Tổng quan tầng Ứng dụng trong mạng Zigbee 72 3.8.2. Lớp con nền tảng ứng dụng (App framework) 73 3.8.3. Lớp con Đối tượng thiết bị Zigbee ZDO (Zigbee Device Object) 75 3.8.4. Lớp con Hỗ trợ Ứng dụng APS (Application Support) 76 3.9. Bảo mật trong mạng Zigbee 78 3.10. Kết luận 82 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG ZIGBEE 84 4.1. Chương trình mô phỏng mạng NS2 84 4.1.1. Kiến trúc của NS2 84 4.1.2. Môi trường mô phỏng 85 4.1.3. Tệp vết (File Trace) 85 4.2. Triển khai mô phỏng và kết quả 87 4.2.1. Mục đích mô phỏng 87 4.2.2. Thí nghiệm và kết quả mô phỏng và đánh giá 87 KẾT LUẬN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Các từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh ACK ACKnowledgement AES Advanced Encryption Standard AF Application Framework AODV Ad-hoc On-demand Distance Vector AP Access Point APS Application Support Sublayer ARPANET Advanced Research Projects Agency Network BE Backoff Exponent BER Bit Error Rate BLE Battery Life Extension BO Beacon Order BS Base Station BSS Base Service Set CAP Contention Access Period CBR Constant Bit Rate CCA Clear Channel Assessment CCM Counter with CBC-MAC CFP Contention-Free Period CH Cluster Head CRC Cyclic Redundancy Check CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CTA Channel Time Allocation CTAP Channel TimeAllocation Period CTS Clear To Send CW Congestion Window DSSS Direct Sequence Spread Spectrum DCF Distributed Coordination Function DEV Device ED Energy Detection ESS Extended Service Set FCS Frame Check Sequence FFD Full-Function Device FH Frequency Hopping FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum GTS Guaranteed Time Slot HR-WPAN High-rate Wireless Personal Area Network IB Information Base IB Integrity Check Value IFS Interframe Spacing IEEE The Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS Interframe Space INTELSAT The International Telecommunications Satellite Consortium IP Internet Protocol LAN Local Area Network LLC Logical Link Control LQI Link Quality Indicator LR-WPAN Low-rate Wireless Personal Area Network MAC Medium Access Control MIC Message Integrity Code MLME MAC Layer Management Entity MPDU MAC Protocol Data Unit MSDU MAC Service Data Unit NLDE Network Layer Data Entity NWK Network Layer NS Network Simutator PAN Network Simutator PIB PAN Information Base PLME Physical Layer Management Entity PPDU PHY Protocol Data Unit PHY Physical layer PLME Physical Layer Management Entity PNC Piconet Coordinator PS Power Save RF Radio Frequency RFD Reduced-Function Device RREP Route Reply RTS Request To Send RREQ Route Request SAP Service Access Point SHR Synchronization Header SNR Signal-to-Noise Ratio SO Superframe Order SSCS Service-Specific Convergence Sublayer TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TRX Transceiver TX Transmitter WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitian Area Network WPAN Wireless Personal Area Network WWAN Wireless Wide Area Network DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1: So sánh các chuẩn Bluetooth 6 Bảng 1. 2: Bảng so sánh các chuẩn Wifi - IEEE 802.11 10 Bảng 3. 1: Các thuộc tính được cung cấp ở lớp vật lí Zigbee (IEEE 802.15.4) 39 Bảng 3. 2: Định nghĩa các lệnh MAC - Zigbee (IEEE 802.15.4)…………………. 45 Bảng 3. 3: Các dạng lệnh trong tầng mạng Zigbee……………………………… 61 Bảng 3. 4: Bảng định tuyến trong tầng mạng Zigbee…………………………… 63 Bảng 3. 5: Bảng khám phá định tuyến trong tầng mạng Zigbee………………… 63 Bảng 3. 6: Bảng hàng xóm trong tầng mạng Zigbee……………………………… 64 Bảng 3. 8: So sánh giữa các mạng không dây cá nhân và Wifi………………… 83 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Doanh nghiệp dùng mạng có kết nối có dây và không dây 3 Hình 1. 2: Phân loại các mạng không dây phổ biến 6 Hình 1. 3: Mô hình mạng WLAN có hạ tầng 9 Hình 1. 4: Mô hình mạng WLAN Ad-hoc 9 Hình 1. 5: Mô hình mạng WiMAX cố định 11 Hình 1. 6: Mô hình mạng tế bào – mạng di động 12 Hình 1. 7: Phân loại mạng không dây cự li ngắn 12 Hình 1. 8: Vấn đề trạm ẩn 13 Hình 1. 9: Vấn đề trạm lộ 13 Hình 1. 10: Cơ chế CSMA/CA + ACK 15 Hình 1. 11: Cơ chế CSMA/CA + ACK với gói tin RTS/CTS 16 Hình 2. 1: Tổng quan kiến trúc của mạng Bluetooth 18 Hình 2. 2: Kiến trúc tổng quan của mạng Bluetooth 20 Hình 2. 3: Các bước nhảy tần số trong mạng Bluetooth 20 Hình 2. 4: Kiến trúc mạng dữ liệu UWB 23 Hình 2. 5: Mô hình Piconet của mạng UWB (IEEE 802.15.3) 23 Hình 2. 6: : Cấu trúc siêu khung trong mạng UWB (IEEE 802.15.3) 24 Hình 2. 7: Mô hình tổng quan kiên trúc của UWB (IEEE 802.15.3) 25 Hình 2. 8: Dải phổ tần số của công nghệ DS-UWB 26 Hình 2. 9: Dải phổ tần số của công nghệ MB-OFDM 26 Hình 2. 10: Cấu trúc gói tin của tầng MAC trong chuẩn IEEE 802.15.3 26 Hình 2. 11: Cấu trúc tiêu Frame Control của tầng MAC IEEE 802.15.3 27 Hình 2. 12: : Cấu trúc Fragmentation Control tầng MAC - IEEE 802.15.3 27 Hình 2. 13: Cấu trúc siêu khung của tầng MAC trong chuẩn IEEE 802.15.3 28 Hình 2. 14: Thủ tục truyền trong UWB (IEEE 802.15.3) 28 Hình 2. 15: : Các khoảng Interframe trong mạng UWB 29 Hình 3. 1: Tô-pô mạng hình sao của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 32 Hình 3. 2: Tô-pô mạng ngang hàng của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 32 Hình 3. 3: Tô-pô mạng Cây phân cụm của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) 33 Hình 3. 4: Kiến trúc tổng quan của mạng LR-WPAN IEEE 802.15.4 33 Hình 3. 5: Kiến trúc mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) 34 Hình 3. 6: Khái niệm nguyên hàm trong mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) 35 Hình 3. 7: Việc truyền dữ liệu trong mạng Zigbee ( IEEE 802.15.4) 36 Hình 3. 8: Truyền dữ liệu đến Coordinator 37 [...]... dùng cá nhân được tích hợp rộng rãi trong các ngành công nghiệp, ngày càng phổ biến trong nhiều mặt của xã hội Trong các dạng mạng không dây, dựa vào khoảng cách phủ sóng người ta chia mạng không dây thành các loại mạng khác nhau như mạng không dây diện rộng, mạng không dây cục bộ hay mạng không dây cá nhân Dựa vào nhu cầu của người sử dụng về tốc độ của mạng cá nhân, người ta lại chia mạng không dây cá. .. TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử hình thành mạng không dây [11] Mạng không dây là một dạng của mạng máy tính, mà việc kết nối được sử dụng là các giao thức kết nối không dây cho các nút mạng Mạng kết nối không dây là một phương thức kết nối được dùng ở các hộ gia đình, các mạng viễn thông và các mạng doanh nghiệp triển khai để giảm bớt giá thành của việc triển khai mạng lưới cáp trong các tòa nhà,... Area Network 1.2 Phân loại các mạng không dây phổ biến[13] Để phân loại mạng không dây, người ta có thể dựa trên phạm vi phủ sóng Theo cách phân loại này có các loại mạng chính sau: Mạng không dây cá nhân – WPAN (Wireless Personal Area Network) Mạng không dây cục bộ – WLAN (Wireless Local Area Network) Mạng không dây đô thị – WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) Mạng không dây diện rộng – WWAN (Wireless... Wide Area Network) Mạng không di động – WWAN (Wireless Wide Area Network) 5 Hình 1 2: Phân loại các mạng không dây phổ biến [9, tr6] 1.2.1 Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network)[14,15,16] Mạng WPAN : Mạng cá nhân không dây, là mạng mà khu vực kết nối không dây của các thiết bị tương đối nhỏ Các mạng điển hình của mạng WPAN có thể kể đến là mạng Bluetooth theo chuẩn IEEE 802.15.1, mạng UWB (Ultra Wide... 802.11 và một số vấn đề trong mạng không dây cự li ngắn [4,tr 55 -60] Cả mạng không dây cá nhân và mạng không dây cục bộ đều được xếp vào mạng không dây cự li ngắn (Short-Range Wireless Network) Các mạng này đều có một số đặc điểm chung về cách thiết lập kết nối, truyền dữ liệu Hình 1 7: Phân loại mạng không dây cự li ngắn [4,tr9] 1.3.1 Vấn đề trạm ẩn, trạm lộ Trong mạng không dây cự li ngắn, có xảy ra... thời đưa ra các quy định nghiêm ngặt về năng lượng phát sóng của các thiết bị UWB phải đảm bảo nằm trong ngưỡng cho phép để tránh gây nhiễu với các thiết bị sử dụng kết nối băng tần hẹp Đó cũng là lí do mạng UWB buộc phải thu hẹp bán kính kết nối Nhìn chung mạng UWB cũng là một mạng cá nhân có tính cạnh tranh cao về tốc độ trong các mạng không dây cá nhân Mạng Zigbee: Zigbee là mạng không dây truyền... sau: Chương I: Tổng quan về các mạng không dây 1 Chương II: Tập trung nghiên cứu về mạng IEEE 802.15.4 và Zigbee Chương III: Tìm hiểu các mạng không dây khác cần so sánh hiệu năng Chương IV: Mô phỏng mạng IEEE 802.15.4 – Zigbee và đánh giá kết quả một số độ đo hiệu năng Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã cố gắng hết sức để hoàn thiện các nội dung kiến thức và số liệu trong luận... điều khiển, thu thập các thông tin trong một quá trình lâu dài Zigbee là một chuẩn mạng không dây cá nhân WPAN (Wireless Personal Area Network), được thiết kế dựa trên chuẩn fIEEE 802.15.4, hay còn gọi là mạng không dây cá nhân tốc độ thấp LR-WPAN (Low-Rate WPAN) Mục đích của mạng Zigbee là truyền tải các tín hiệu cần băng thông nhỏ, nhưng lại có thời gian sống của các nút trong mạng rất lâu (có thể... có thể ra vào hệ thống mạng dễ dàng nếu như nằm trong vùng có khả năng kết nối Ngày nay các mạng kết nối không dây cũng đang dần trở nên quen thuộc, ở một số nơi khi việc thực hiện mạng hữu tuyến là không khả thi, người ta thường nghĩ đến triển khai các mạng không dây trên diện rộng để đáp ứng nhu cầu số lượng nút mạng lớn Các loại mạng không dây quen thuộc có thể kế đến là mạng Bluetooth (chuẩn kết... dây cá nhân ra thành mạng tốc độ thấp và mạng tốc độ cao Mạng không dây cá nhân tốc độ cao phù hợp với các ứng dụng cần băng thông lớn như nhu cầu giải trí, xem hình ảnh âm thanh độ nét cao, hay đơn giản cần chia sẻ dữ liệu Mạng với mạng có tốc độ thấp, với các nút mạng hoạt động dựa trên năng lượng pin, cần có thời gian hoạt động càng dài càng tốt để thực hiện các mục đích như truyền các tín hiệu điều . mạng không dây thành các loại mạng khác nhau như mạng không dây diện rộng, mạng không dây cục bộ hay mạng không dây cá nhân. Dựa vào nhu cầu của người sử dụng về tốc độ của mạng cá nhân, người. VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1. Lịch sử hình thành mạng không dây [11] Mạng không dây là một dạng của mạng máy tính, mà việc kết nối được sử dụng là các giao thức kết nối không dây cho các nút mạng. . : Mạng cá nhân không dây, là mạng mà khu vực kết nối không dây của các thiết bị tương đối nhỏ. Các mạng điển hình của mạng WPAN có thể kể đến là mạng Bluetooth theo chuẩn IEEE 802.15.1, mạng