Nghiên cứu giải pháp tích hợp dịch vụ WEB cho mạng cảm biến không dây

MỤC LỤC CHƯƠNG I MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IP 1.4.Kiến trúc IP cho WSNs đề xuất IETF 11 2.1.2.2 Tiêu đề tùy chọn đích đến (Destination Option Header) 19 2.1.2.5 Tiêu đề nhận thực bảo mật 22 2.2.3.1 Nén tiêu đề sử dụng LOWPAN_HC1 LOWPAN_HC2 29 2.2.3.3 Nén tiêu đề IPv6 .38 LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, kích thước phạm vi Internet phát triển nhanh chóng (ví dụ, máy tính cá nhân điện thoại thông minh) hàng nghìn tỷ thiết bị nhúng (ví dụ, cảm biến) giới vật lý trở nên thông minh, chúng đủ khả để giao tiếp chia sẻ liệu qua Internet - gọi Internet of Things (IoT) Sự phát triển mang đến khả thú vị thách thức Internet, chẳng hạn làm để tích hợp dịch vụ web vào thiết bị giới hạn tài nguyên? Làm để truy cập cách hiệu tới thiết bị Web tồn tại? Chính lý mà đồ án trình bày giao giao thức Constrained Application Protocol (CoAP) CoAP giao thức ứng dụng dành cho thiết bị hạn chế tài nguyên có nút cảm biến không dây Giao thức CoAP cho phép nút cảm biến không dây có chức dịch vụ WEB CoAP giao thức truyền tải Web giống HTTP Nhưng CoAP giao thức ứng dụng dành cho thiết bị hạn chế tài nguyên nên có số điểm khác so với HTTP giao thức lớp truyền tải UDP mà TCP kỹ thuật nén tiêu đề để làm cho gói tin có kích thước nhỏ Đồ án tập trung nghiên cứu tài liệu chuẩn hóa giao thức CoAP IETF ứng dụng giao thức CoAP mạng cảm biến không dây Đây hướng nghiên cứu mẻ Việt Nam tập trung nghiên cứu giới Các kết nghiên cứu đề tài tài liệu tham khảo hữu ích cho quan tâm đến giải pháp tích hợp dịch vụ web cho mạng cảm biến không dây CHƯƠNG I MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IP Chương đưa khái niệm “mạng cảm biến không dây”, ứng dụng ngày thông minh mà mạng cảm biến mang lại cho đời sống người, khó khăn thách thức mạng cảm biến không dây trình triển khai quản lý mạng Từ thách thức nhà nghiên cứu tìm ưu điểm bật mà kiến trúc IP mang lại cho mạng cảm biến không dây, khắc phục yếu điểm cố hữu mạng, nêu lý thuyết phục sử dụng IP mạng so với mạng truyền thống (không sử dụng IP) Và phần cuối chương giới thiệu hai nhóm làm việc 6LoWPAN ROLL IETF tạo để xây dựng kiến trúc giao thức cho mạng hạn chế tài nguyên có mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu chung mạng cảm biến không dây 1.1.1 Khái niệm Mạng cảm biến không dây (WSNs) cấu trúc, kết hợp khả cảm biến, xử lý thông tin thành phần liên lạc để tạo khả quan sát, phân tích phản ứng lại với kiện tượng xảy môi trường cụ thể Môi trường giới vật lý, hệ thống sinh học… WSNs bao gồm nút cảm biến nhỏ hoạt động máy phát liệu chuyển tiếp mạng Mỗi nút gồm cảm biến, vi xử lý, thu phát Thông qua hàng loạt cảm biến tích hợp chặt chẽ, thu thập liệu từ tượng vật lý như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, độ ô nhiễm,… Các nút cảm biến lập trình để thực nhiệm vụ phức tạp truyền tải quan sát Quá trình thu phát tạo thành hệ thống kết nối không dây để truyền đạt tượng quan sát Các nút cảm biến có nguồn lượng hạn chế (pin), giao tiếp với qua mạng vô tuyến không dây truyền liệu trung tâm xử lý kỹ thuật truyền đa chặng Do cấu trúc liên kết mạng tự động thay đổi hoạt động quản lý điện nút cảm biến Để tiết kiệm lượng, nút tích cực tự chuyển đổi chức thu phát tự ngắt kết nối từ mạng 1.1.2 Ứng dụng Trong chuyên đề “10 công nghệ làm thay đổi sống” đăng Computerworld, John Brandon đánh giá cảm biến công nghệ dẫn đầu danh sách công nghệ biến đổi sống mạnh Ông nói “công nghệ cảm biến công nghệ tác động đến sống người nhiều Ở đâu có vật tồn tại, có cảm biến - từ cầu chì, ổ điện, đến khóa cửa, quần áo, chí da thịt người” Ngày nay, cảm biến giải mã vạch đọc kí hiệu 2D, xác định liệu ngưỡng nhiệt độ đạt ứng dụng nhiệt, liệu công ten nơ có bị rò rỉ, phần hàng hóa bị thất thoát mà không kiểm chứng được? Biến đổi khí hậu vấn đề cộm mà người phải đối đầu chuẩn ISO thành lập lĩnh vực ứng dụng cảm biến lĩnh vực quản lý môi trường Công nghệ cảm biến kì vọng mang lại ứng dụng tích cực việc xử lý chất thải hay nước thải thời gian tới Thiết bị nhỏ bé thông minh hỗ trợ cho hệ thống quản lý hàng hóa thông minh; kiểm soát hàng hóa hóa chất độc hại; kiểm tra thông số nhiệt độ, áp suất dòng chảy; cho phép ghi lại tình trạng thiết bị y tế bệnh nhân; quản lý thiết bị phục vụ cho ngành hàng không Bên cạnh mà mạng cảm biến làm được, ứng dụng thông minh nêu việc triển khai, quản lý mạng cảm biến gặp khó khăn thách thức Điều phần 1.1.3 Khó khăn thách thức Giống công nghệ nào, có thách thức đặt trình phát triển WSNs Những thách thức cho WSNs bao gồm thách thức cấp độ nút bên nút WSNs lượng tiêu thụ kích thước vật lý, chế cấu trúc cấp độ mạng hình thành nút WSNs Hai lĩnh vực thường ảnh hưởng lẫn làm cho vấn đề chở nên phức tạp 1.1.3.1 Những thách thức cấp độ nút Những thách thức cấp độ nút nút WSNs cần phải giải công suất tiêu thụ, kích thước vật lý giá thành Công suất tiêu thụ yếu tố quan trọng nút thường chạy pin Kích thước vật lý quan trọng yếu tố kích thước hình thức định ứng dụng tiềm cho WSNs, nút WSNs phải có kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý WSNs thường triển khai quy mô lớn Hạn chế nghiêm trọng việc tiêu thụ lượng có ảnh hưởng đến việc thiết kế cho phần cứng, phần mềm, giao thức mạng, chí kiến trúc mạng Đối với nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn linh kiện phần cứng có công suất thấp bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò hỗ trợ chế độ ngủ hiệu mặt lượng, phần mềm cần phải tắt thành phần không sử dụng đặt phần cứng chế độ ngủ nhiều tốt Dưới hỗ trợ nhà phát triển phần mềm, nút mạng cảm biến chạy hệ điều hành cung cấp chế hoạt động công suất thấp Kích thước vật lý giá thành có ảnh hưởng sâu sắc nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm Đối với nhà thiết kế phần cứng yêu cầu phần cứng phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng linh kiện cần phải ít, kích thước nhỏ rẻ tiền Các phần mềm chạy vi xử lý trở nên nhỏ tốc độ tính toán chúng kích thước nhớ bị giảm bớt Do đó, phần mềm cho nút mạng cảm biến không dây không cần hiệu lượng mà phải có khả chạy môi trường hạn chế nghiêm ngặt tài nguyên Các hạn chế nguồn tài nguyên ảnh hưởng sâu sắc đến cấp độ nút có ảnh hưởng đến cấp độ mạng Với nhứng hạn chế số lượng nhớ mối nút mạng cảm biến không dây giao thức mạng phải thiết kế để hạn chế số lượng thông tin mạng nút khác mạng mà nút cần phải nắm giữ 1.1.3.2 Những thách thức cấp độ mạng Những thách thức cấp độ nút mạng cảm biến không dây đối phó với vấn đề quy mô nhỏ nguồn tài nguyên sẵn có, thách thức cấp độ mạng lại phải đối phó với vấn đề quy mô lớn mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây nhiều trường hợp, nút cảm biến không dây thu thập lượng lớn liệu từ nhiều điểm thu riêng biệt, nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn nút cảm biến không dây Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến tin WSNs Thiết kế giao thức định tuyến quan trọng ảnh hưởng đến hiệu mạng xét lượng liệu mà mạng trì tốc độ liệu vận chuyển thành công qua mạng Hơn thời gian sống mạng đảm bảo Trong WSNs, việc truyền thông đòi hỏi lượng nút truyền thông thường lượng nhanh so với nút chế độ ngủ Vì vậy, giao thức định tuyến phải có lựa chọn thông tin đầy đủ lập kế hoạch vận chuyển tin qua mạng WSNs thường chạy kênh truyền không đáng tin cậy làm cho vấn đề chở nên xấu Đối với kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp tin gửi nút nhận nút khác dự kiến trước không chắn Tính chất không đáng tin cậy mạng cảm biến không dây gọi “tổn hao” Tổn hao nên coi đặc tính vốn có mạng cảm biến không dây Tổn hao mạng cảm biến không dây thách thức cho giao thức định tuyến Các giao thức định tuyến phải tính toán vấn đề tổn hao định nơi để định tuyến Các giao thức định tuyến phải tính toán vấn đề tổn hao định nơi để định tuyến tin tin nên gửi lại Bản tin định tuyến cho nguy bị gói tin thấp Tổn hao thuộc tính khó xác định, đặc biệt mạng không dây Tổn hao bị ảnh hưởng yếu tố môi trường nhiệt độ độ ẩm không khí môi trường vật lý xung quanh mạng cảm biến không dây Tính chất quy mô lớn WSNs làm phức tạp thêm việc định địa nút Trong mạng quy mô lớn, nút riêng lẻ phải có địa để tin gửi đến Các địa phải đủ độ dài cho nút mạng lớn có địa riêng biệt mạng có quy mô nhỏ, tương tác với nút bên ngoài, trường hợp đó, địa nút hai mạng phải Vì số lượng mạng cảm biến không dây tương tác với mạng khác nên cần phải chuẩn bị cho quy mô phát triển theo cấp số nhân Do đó, chế định địa cho mạng cảm biến không dây lựa chọn phải xác định cho vài triệu, chí vài tỷ nút riêng biệt Với quy mô lớn mạng cảm biến không dây, việc quản lý mạng trở thành thách thức vô khó khăn Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi điều chỉnh sở hạ tầng mạng thủ công quản trị viên hệ thống Với mạng cảm biến không dây phải chuẩn bị để tự quản lý mà điều hành mạng người Hơn mạng máy tính truyền thống, máy tính kết nối mạng yêu cầu cấu hình thủ công bán thủ công với mạng cảm biến không dây điều không khả thi Cuối cùng, mạng cảm biến không dây phải cung cấp chế truy cập từ bên Có trường hợp mà mạng cảm biến không dây sử dụng cô lập, thường liệu tạo mạng cảm biến không dây cần phải lấy để chúng xử lý lưu trữ nơi khác Ngoài ra, mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình lại thay đổi trình hoạt động Trong hai trường hợp đó, mạng cảm biến không dây phải có khả truy cập từ bên 1.1.3.3 Sự chuẩn hóa Tiêu chuẩn yếu tố then chốt thành công mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây biết đến không số lượng lớn nút ứng dụng, mà số lượng đáng kể tiêu chuẩn, nhà sản xuất công ty khác Các công nghệ sản xuất khác có tiêu chuẩn khác Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến chuyên cảm biến độ ẩm xác cao không quan tâm đến hệ thống công ngệ thông tin Tuy nhiên, hai phải làm việc hệ thống tòa nhà tự động, cảm biến độ ẩm tạo đầu vào có giá trị cho việc kiểm soát môi trường điều khiển hệ thống công nghệ thông tin Tiên tiến chúng tiếp nhận đầu vào từ cảm biến độ ẩm Nếu chuẩn hóa, nhà sản xuất thiết bị nhà tích hợp hệ thống cần phải xây dựng toàn hệ thống Ngoài ra, nhà sản xuất nhà tích hợp sử dụng công nghệ độc quyền từ nhà sản xuất riêng lẻ Công nghệ độc quyền cung cấp lợi ích thời gian ngắn, làm cho nhà sản xuất nhà tích hợp hặp khó khăn việc phát triển hệ thống họ vượt công nghệ độc quyền nhà cung cấp Với việc chuẩn hóa công nghệ công nghệ độc lập với nhà cung cấp, nhà sản xuất người dùng Bất kỳ nhà cung cấp chọn lựa để cung cấp hệ thống dựa công nghệ, nhà sản xuất thiết bị, nhà tích hợp hệ thống lựa chọn tảng hệ thống họ nên công nghệ từ nhà cung cấp Tiêu chuẩn hóa công nghệ có ưu điểm lớn việc chấp nhận điều khoản chung Khi công nghệ chuẩn hóa, nhà cung cấp, nhà sản xuất, nhà tích hợp hện thống dễ dàng chọn công nghệ mà rủi ro từ nhà cung cấp 1.1.3.4 Khả cộng tác Khả cộng tác khả thiết bị hệ thống nhà cung cấp khác hoạt động Khả cộng tác điều cần thiết nhà sản xuất khác mạng cảm biến không dây với sở hạ tầng mạng có Mạng cảm biến không dây sau chuẩn hóa phải có khả cộng tác nhiều mặt Các nút cảm biến phải tương thích với từ lớp vật lý lớp ứng dụng Khả cộng tác lớp vật lý xảy thiết bị từ hãng khác giao tiếp vật lý với Ở cấp độ vật lý, nút cảm biến không dây phải thống vấn đề tần số vô tuyến để thực truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu, tốc độ truyền Ở cấp độ mạng, nút phải thống định dạng thông tin gửi nhận kênh vật lý làm để đánh địa nút, làm để thông điệp vận chuyển qua mạng? Ở lớp ứng dụng lớp tích hợp, nút cảm biến phải chia sẻ quan điểm chung làm để liệu nhập vào lấy từ mạng cảm biến không dây, làm để nút mạng cảm biến truy nhập tới từ hệ thống bên Tất khó khăn, thách thức WSNs nêu trên, giải việc sử dụng IPv6 cho WSNs (Chương II) giao thức lớp ứng dụng – CoAP cho phép tích hợp dịch vụ web cho WSNs (Chương III) 1.2 Giới thiệu kiến trúc IP Kiến trúc giao thức TCP/IP thiết kế khoảng 30 năm trước đây, sử dụng hàng tỷ thiết bị khắp giới từ thiết bị cầm tay máy tính xách tay đến siêu máy tính Bộ ứng dụng giao thức IP nâng cao để hỗ trợ truyền thông đa điểm, chất lượng dịch vụ (QoS), kỹ thuật lưu lượng, dich vụ thời gian thực với kiến trúc trì thời gian dài ARPANET cho đời giao thức Internet, ARPANET dự án tài trợ quan dự án nghiên cứu cao cấp (ARPA) Một giao thức phát triển giao thức năm 1822, sau nhanh chóng thay giao thức điều khiển mạng (NCP) Giao thức phát triển vào năm 1970 với mục tiêu kết nối máy tính giao diện xử lý thông điệp (IMP) trang web khác mạng đường trục Đến cuối năm 1971, 15 trang web kết nối với cách sử sụng giao thức NCP, tạo thành hạt nhân Internet Robert Kahn Vint Cerf sau thiết kế TCP để thay cho NCP (tại thời điểm TCP/IP gọi TCP giao thức chưa tách riêng) Thế hệ giao thức IPv4 thiết kế vào năm 1981 Giao thức ban đầu chạy vài hệ thống Nhưng đến bây giờ,nó chạy hầu hết máy tính Quỹ khoa học Quốc gia (NSF) đóng vai trò quan trọng phát triển Internet mạng Quỹ khoa học Quốc gia (NSFNET), hoạt động vào năm 1986 việc sử dụng giao thức TCP/IP tương thích với giao thức mạng ARPANET NSFNET bắt đầu với kết nối mạng lưới học viện khu vực, điểm khởi đầu Internet toàn giới Hình 1.1 Sự phân lớp TCP/IP OSI Chỉ đến thập niên 1990, mạng khu vực NSFNET tiếp tục mở rộng tới mạng lưới thương mại, tiếp tục tăng trưởng theo cấp số nhân Internet đến Sau xuất phiên IP (IPv6) IPv6 không thay đổi kiến trúc ban đầu giao thức TCP/IP xác định cho IPv4, phiên IP để đem lại loạt tính cải tiến, thêm vào không gian địa lớn nhiều Mục tiêu việc thiết kế xây dựng mạng Internet xây dựng mạng linh hoạt cao, đáng tin cậy, khả hỗ trợ đa dạng dịch vụ Sự linh hoạt tạo việc thông qua kiến trúc phân lớp TCP/IP Kiến trúc vượt mong đợi: Internet mạng IP riêng sử dụng loạt lớp vật lý lớp liên kết khác (ví dụ như: SONET/SDH, ATM, Ethernet, liên kết không dây IEEE 802.11, … Một số ứng dụng yêu cầu tập hợp nhiều dịch vụ sử dụng TCP UDP thư điện tử hay chuyển tập tin ứng dụng thời gian thực thoại, video Những khái niệm phân lớp sở việc thiết kế tạo kiến trúc linh hoạt Khái niệm phân lớp sau mở rộng với bốn lớp giao thức TCP/IP mô hình OSI bảy lớp (hình 1.1) 1.3 Ưu điểm kiến trúc IP cho WSNs  Khả tương tác: Khả tương tác đặc điểm bật kiến trúc giao thức IP Nó có khả tương tác chạy lớp liên kết với nhiều đặc điểm khác Các nút mạng cảm biến không dây hoạt động IP tương thích với thiết bị IP khác Bộ ứng dụng IP chứa tập giao thức chạy IP bao gồm giao thức lớp truyền tải UDP TCP/IP, giao thức lớp ứng dụng: HTTP giao thức quản lý mạng đơn giản (SNMP) cho cấu hình mạng Kiến trúc IP chuẩn hóa tổ chức tiêu chuẩn quốc tế thiết lập nhằm cung cấp chế, qua tiêu chuẩn xem xét hiệu chỉnh  Một kiến trúc phát triển linh hoạt: Khả phát triển linh hoạt ứng dụng nguyên lý đầu cuối kiến trúc giao thức IP Ngay từ đầu kiến trúc giao thức IP thiết kế phép giao thức chế lớp ứng dụng phát triển độc lập với chế chuẩn giao thức mạng phía  Khả mở rộng: Kiến trúc giao thức IP chứng minh hoàn toàn có khả mở rộng Thông qua việc triển khai toàn cầu Internet, IP cho thấy triển khai số lượng lớn hệ thống chạy loạt giao thức khác  Tính ổn định phổ biến kiến trúc: Kiến trúc giao thức IP tồn gần 30 năm Tiêu chuẩn cập nhật vài lần vòng 30 năm, tảng công nghệ truyền thông dựa gói tin không đổi Lớp mạng, cốt lõi kiến trúc IP, tồn hai phiên IPv4 IPv6 Sự khác biệt hai phiên IPv6 cung cấp nhiều địa Sự ổn định kiến trúc giao thức IP có tác động kiến thức giáo dục người dùng nhà quản trị mạng Kiến trúc giao thức IP giao thức phần quan trọng chương trình khóa học tài liệu đào tạo cấp hệ thống giáo dục khác  Cấu hình quản lý mạng: Qua việc áp dụng rộng rãi triển khai quy mô lớn, kiến trúc IP phát triển nhiều chế giao thức cho việc cấu hình quản lý mạng Những chế điều cần thiết phát triển mạng lớn tới hàng ngàn máy Các công cụ quản lý mạng cho phép người quản lý mạng lớn, mà không cần cấu hình tay cho máy  Kích thước nhỏ gọn: Tiêu thụ công suất thấp, kích thước vật lý nhỏ chi phí thấp ba thách thức cấp độ nút nút mạng cảm biến không dây Một kiến trúc mạng cảm biến không dây phải có khả hoạt động giới hạn chặt chẽ thực công việc Ngăn xếp uIP sử dụng rộng rãi hệ thống mạng cảm biến không dây hệ thống nhúng có kết nối mạng uIP mở rộng để hỗ trợ giao thức IPv6 Kích thước nhớ sử dụng ngăn xếp hình 1.2 10 tiêu thụ lượng mote server CoAP HTTP chế độ hoạt động khác hình 3.11 Như minh họa hình 3.11, số bytes truyền phiên giao dịch HTTP (xem bảng 3.4) cao thời gian gửi nhiều mote nhận, truyền xử lý gói kết mức tiêu thụ điện cao chế độ RX, TX CPU Trong nhận gói tin (ở chế độ RX) lượng tiêu thụ sử dụng CoAP xấp xỉ nửa lượng tiêu thụ sử dụng HTTP (0.43mWs cho CoAP 0.85 mWs cho HTTP) Xảy tương tự xử lý gói (chế độ CPU): Năng lượng cần thiết để xử lý gói tin CoAP (0.14mWs) khoảng nửa lượng cần thiết để xử lý gói tin HTTP (0.26mWs).Trong chế độ truyền gói tin (TX) lượng yêu cầu CoAP thấp lần so với lượng yêu cầu HTTP (0.03 mWs cho CoAP 0.12 mWs cho HTTP) Trong chế độ nghỉ (chế độ LPM) tiêu thụ lượng HTTP CoAP gần giống (0.159 mWs cho CoAP 0.155 mWs cho HTTP) Đây kết thực tế nhận kịch sử dụng giao thức MAC (contikiMAC) thời gian dành cho chế độ nghỉ xấp xỉ Trong thí nghiệm thứ hai, thực phép thử với phép thử giá trị khác thời gian yêu cầu client khác (5, 10, 30, 60 120s) Mỗi thí nghiệm chạy khoảng 30 phút Bằng việc lựa chọn thời gian chạy mô cố định thí nghiệm khác tạo yêu cầu client (tương ứng 360, 180, 60, 30 15 ) Điều giúp phân tích tác động số lượng yêu cầu tiêu thụ lượng Thực tế kết chứng minh thời gian client yêu cầu thấp khác biệt giá trị tiêu thụ lượng cao Những kết thực điều kiện trạng thái ổn định Thực tế là, phút mô không xét đến số lượng lớn tin điều khiển trao đổi client server làm thay đổi kết Hình 3.12 minh họa kết thí nghiệm Như minh họa hình 3.12, interrarival time client requests thấp (5s) lượng tiêu thụ trung bình CoAP thấp so với HTTP (0.83 mW cho CoAP 1.9 mW cho HTTP) Điều cho thấy hệ số lượng requests client lớn khởi tạo suốt 30 phút thí nghiệm (360 requests/client request interrarival time/5s) Sự khác biệt đáng kể (0.76 mW(CoAP) 1.4 mW(HTTP) ) client request interrarival time 10s tổng số client yêu cầu 180 Đối với client request interrarival time/30s khác biệt bắt đầu nhỏ 68 (0.71 với CoAP 0.96 với HTTP) hệ dẫn tới số lượng giao dịch client-server thấp (60) Thực tế số giao dịch client-server thấp kéo theo khác biệt tiêu thụ lượng CoAP HTTP điều xác nhận kết liên quan đến client request interrarival time 60s 120s Trường hợp 60s, số lượng giao dịch client- server 30 lượng tiêu thụ 0.72 mW với CoAP 0.81 mW với HTTP Trường hợp 120s, số lượng giao dịch 15 lượng tiêu thụ 0.72 mW với CoAP 0.76 mW với HTTP Hình 3.12 Năng lượng tiêu thụ server mote CoAP HTTP cho giá trị khác tùy thuộc vào interrarival time yêu cầu client Các kết hình 3.12 chứng minh số lượng giao dịch client-server lớn khác biệt tiêu thụ lượng trung bình cao Điều bị thúc đẩy thực tế giao dịch HTTP bao hàm nhiều hoạt động thu phát CPU mote kết lượng tiêu thụ cao (như minh họa hình 3.11) Ngoài ra, hình 3.12 lượng tiêu thụ trung bình CoAP xấp xỉ số thay đổi client request interrarival time Thậm chí client request interrarival time 5s số giao dịch 360 lượng tiêu thụ trung bình CoAP tăng không đáng kể xảy HTTP Điều kết thực tế, minh họa hình 3.11, mote server dành nhiều thời gian trình nhận gói tin kết lượng tiêu thụ chế độ mote RX CoAP cao HTTP Do đó, từ kết phân tích hình 3.12 kết luận lượng tiêu thụ CoAP nhạy cảm 69 không đáng kể với việc tăng số lượng giao dịch client-server Đặc điểm đặc biệt hữu dụng xét đến việc WSNs sử dụng lĩnh vực ứng dụng khác với yêu cầu khác Có ứng dụng yêu cầu truy cập liệu cảm biến thường xuyên (đối với liệu quán, toàn vẹn, bảo mật, ) Nếu ứng dụng truyền thao tác liệu cách sử dụng HTTP lượng tiêu thụ tác động mạnh mẽ đến hiệu mạng Thay vào đó, việc sử dụng CoAP đảm bảo lượng tiêu thụ tăng không đáng kể liệu cảm biến truy cập thường xuyên 3.2.12.3 Thời gian đáp ứng Khi truy cập vào tài nguyên cảm biến thông qua dịch vụ web điều quan trọng phải giữ cho thời gian đáp ứng giá trị thấp Thời gian đáp ứng cao có ảnh hưởng đến hiệu suất số ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt mặt độ trễ Ngoài ra, thời gian đáp ứng tác động đến trải nghiệm người sử dụng (ví dụ user cố gắng truy nhập vào liệu cảm biến gần thời gian thực từ trình duyệt web) Mục đích thí nghiệm để so sánh thời gian đáp ứng hai hệ thống client-server sử dụng CoAP HTTP cách làm để sử dụng UDP giao thức truyền tải giảm đáng kể kích thước tiêu đề gói tin từ dó giảm thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng định nghĩa thời gian khởi tạo từ thời điểm yêu cầu thời điểm client nhận đáp ứng tải trọng.Thí nghiệm thực cặp client-server bao gồm motes Z1 Zolertia Để đánh giá tác động số lượng hops đáp ứng thời gian, kịch gồm 1-hop 2-hop thiết lập Trong kịch 1-hop, có kết nối trực tiếp mote client mote server Trong kịch 2-hop, mote server không nằm phạm vi client liệu phải định tuyến thông qua mote trung gian Cả hai kịch thử với 55 yêu cầu CoAP HTTP Kết minh họa hình 3.13 Như minh họa hình 3.13, khác biệt đáng kể thời gian đáp ứng CoAP so sánh với HTTP Với trường hợp hop, thời gian đáp ứng trung bình tính toán với 55 yêu cầu client 184 ms cho CoAP 1.8 s cho HTTP Với trường hợp hai hop, CoAP thời gian đáp ứng trung bình 336 ms HTTP 3.2 s Ngoài việc tiêu thụ lượng, CoAP cải thiện tốt thời gian đáp ứng kết việc sử dụng giao thức truyền tải UDP giảm kích thước 70 tiêu đề gói tin Ví dụ cho thấy giá trị thời gian đáp ứng sử dụng HTTP trường hợp hop cao không chấp nhận nhiều ứng dụng Hình 3.13 Thời gian đáp ứng HTTP CoAP hai trường hợp 1-hop 2-hop 3.3 Chạy Demo ví dụ REST hệ điều hành Contiki với Tmote Sky Nội dung phần trình bày ví dụ RESTful Server (rest-serverexample.csc coap-client-server-example.csc), ví dụ cho thấy cách làm để sử dụng lớp REST để phát triển ứng dụng từ phía server (có thể để chạy CoAP HTTP) Để sử dụng CoAP giao thức ứng dụng phải định nghĩa WITH_COAP =1 rest-example/makefile Ngược lại HTTP sử dụng Dưới bước cần thực để chạy ví dụ REST Cooja Linux, bước thực sau: Kịch thứ nhất: Truy nhập tới server từ bên mạng cảm biến Bước 1: Khởi động COOJA nạp mô “rest-server-example.csc” lệnh sau: make TARGET=cooja rest-server-example.csc Khi giao diện cooja nhận kết hình 3.14: Bước 2: Sau nạp file COOJA, mở cửa sổ terminal (di chuyển đến /restexample) kết nối tới mô COOJA sử dụng tunslip6 lệnh: make connect-router-cooja Sau lệnh quay lại cooja thực chạy mô phỏng, hiển thị địa IP node ta nhận đc kết hình 3.15 đây: 71 Hình 3.14 Hình 3.15 Bước 3: Sử dụng client CoAP HTTP (trong kịch node có ID =1) để tương tác với node Cooja chạy mã REST 72 Trong thiết lập này, hai server có sẵn có địa IP là: aaaa::0212:7402:0002:0202 aaaa::0212:7403:0003:0303 CoAP sử dụng cổng 61616, HTTP sử dụng cổng 8080 theo cấu hình mặc định Trước tiên ping node COOJA để kiểm tra kết nối xem node có thông không lệnh: ping6 aaaa::0212:7402:0002:0202 ping6 aaaa::0212:7403:0003:0303 Kết nhận hình 3.16: Hình 3.16 Như kết nối thành công node Với ví dụ COAP nên chạy client COAP sử dụng URL method cung cấp bên ví dụ HTTP để thử Server COAP Kịch mô thứ 2: Truy nhập tới server mạng cảm biến (lưu ý: thực thi cung cấp cho COAP) Khởi động COOJA nạp mô “coap-client-server-example.csc” lệnh sau: Make TARGET = cooja coap-client-server-example.csc 73 Trong ví dụ: coap-client-server-example.csc: server COAP có địa IP là: fe80::0212:7401:0001:0101 CoAP Client fe80::0212:7402:0002:0202 Client truy cập tài nguyên server đăng tải trọng ( Payload ) theo định kì Kết demo kịch thứ hai hình 3.17: Hình 3.17 Trên cửa sổ (log listener) Cooja cho thấy thông tin thời gian truyền (time ms), mote (ID) tin (đưa thông tin kích thước gói gửi, TID, địa IP, payload, port UDP… ) Như vậy, kịch demo nói cho thấy CoAP cho phép node cảm biến có chức dịch vụ Web, giao thức truyền tải web giống HTTP CoAP sử dụng đặc biệt cho thiết bị mạng hạn chế tài nguyên có mạng cảm biến không dây (chi phí thấp hơn, phân tích cú pháp phức tạp hơn, sử dụng giao thức UDP phương pháp nén tiêu đề nhằm làm giảm kích cỡ tiêu đề- demo sử dụng kĩ thuật IPHC) 74 KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian thực tập làm đồ án tốt nghiệp đến em hoàn tất đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án từ mức tìm hiểu tảng kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây đến việc tìm hiểu IPv6 cho mạng cảm biến không dây, đặc biệt nghiên cứu lớp thích ứng 6LoWPAN với kĩ thuật phân mảnh, kĩ thuật nén tiêu đề cho truyền gói tin IPv6 có đơn vị truyền dẫn tối đa 1280 bytes qua khung liên kết IEEE 802.15.4 có MTU 127 bytes Phần cuối nội dung mà đồ án muốn nhấn mạnh giải pháp tích hợp dịch vụ Web cho mạng cảm biến không dây, thông qua việc tìm hiểu giao thức ứng dụng dành cho mạng thiết bị hạn chế tài nguyên (CoAP) Theo kết luận chuyên gia nghiên cứu lĩnh vực CoAP, EXI mô hình Web yếu tố tạo nên chìa khóa thành công để mở rộng internet tới môi trường hạn chế tài nguyên làm cho tầm nhìn IoT trở thành thực Tuy nhiệm vụ đồ án đề hoàn thành, đồ án em tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận góp ý, phê bình thầy cô để đồ án hoàn thiện Tích hợp dịch vụ Web cho mạng cảm biến không dây vấn đề nghiên cứu nước giới, em hi vọng đồ án trở thành tài liệu thú vị dành cho quan tâm tới lĩnh vực WSNs mong muốn ứng dụng thực tế triển khai rộng rãi thực tế Việt Nam vào ngày không xa, đưa công nghệ Việt Nam tiến thêm bước 75 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CoAP Constrained Application Protocol REST WS-* Representational State Transfer Web Service-* HTTP UDDI XML HyperText Transport Protocol Universal Description, Discovery, and Intergration eXtensible Markup Language WSDL SOAP W3C HTML Web Service Definition Language Simple Object Access Protocol World Wide Web Consortium HyperText Markup Language IoT WoT M2M WADL Internet of Things Web of Things Machine-to-Machine Web Application Description Language Constrained RESTful environments Uniform Resource Identifier Open Systems Interconnection Efficient XML Interchange Lower Power Mode Central processing Unit Destination Context Identifier CoRE URI OSI EXI LPM CPU DCI 76 Giao thức ứng dụng dành cho thiết bị hạn chế tài nguyên Chuyển trạng thái đại diện WS-Security: Dịch vụ WebAn ninh WS-Policy: Dịch vụ Web – Chính sách WS-I: Dịch vụ Web tương thích Giao thức truyền siêu văn Là Siêu ngôn ngữ thiết kế để truyền thông ngữ nghĩa liệu thông qua chế mô tả Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn Truyền thông máy tới máy Ngôn ngữ mô tả ứng dụng Web Chế độ công suất thấp Đơn vị xử lý trung tâm Định danh ngữ cảnh đích SCI Source Context Identifier Định danh ngữ cảnh nguồn DAC Destination Address Compression Nén địa đích SAC Source Address Compression Nén địa nguồn DAM Destination Address Mode Chế độ địa đích CID Context Identifier Định danh ngữ cảnh CIDR Classless Inter- Domain Routing MTU Maximum Transmission Unit Định tuyến liên miền không phân lớp Đơn vị truyền dẫn tối đa LLNs Low-power and Lossy Networks LoWPAN Low-Power Wireless Personal Are Network IPv6 Routing Protocol {for Low power and Lossy network} RPL Mạng tổn hao công suất thấp Mạng cá nhân không dây lượng thấp Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng tổn hao lượng thấp RFC Request For Comments Arv6 Arch Rock Ngăn xếp Arch Rock NSv6 Nano Sensinode Ngăn xếp Nano Sensinode DHCP Dynamic Host Configuration Protocol File Transfer Protocol Giao thức cấu hình máy động SNMP Simple Network Managerment Protocol Giao thức quản lý mạng đơn giản HTP Hypertext Transfer Protocol SCTP Stream Control Transmission Protocol Real Time Protocol Giao thức truyền siêu văn Giao thức điều khiển truyền dẫn dòng Giao thức thời gian thực FTP RTP 6LoWPAN IPv6 over Low-power WPAN 77 Giao thức truyền file IPv6 qua Mạng cá nhân không dây lượng thấp LoWPAN QoS Low-power Wireless Personal Area Mạng cá nhân không dây Networks lượng thấp Quality of Service Chất lượng dịch vụ HC Header Compression Nén tiêu đề NHC Next Header Coding Mã hóa tiêu đề TLS MIC RPA Transport Layer Security Message Integrity Check Path Maximum Transmission Unit Discovery Research Project Agnecy Kiểm tra tin bảo mật lớp giao vận Phát đơn vị truyền dẫn tối đa Nghiên cứu dự án NCP Network Control Protocol Giao thức điều khiển mạng IMP Interface Message Processor NSF National Science Foundation Bộ xử lý giao diện thông điệp Quỹ khoa học quốc gia NSFNET National Science Foundation NET Mạng quỹ khoa học quốc gia ICMP Internet Control Message Protocol TCP Transport Control Protocol UDP User Datagram Protocol Giao thức điều khiển thông điệp Internet Giao thức điều khiển giao vận Giao thức liệu người dùng ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa DAD Duplicate Address Detection Phát địa trùng lặp SAC Source Address Compression Nén địa nguồn DAM Destination Address Mode Chế độ địa đích SAM Source Addres Mode Chế độ địa nguồn CID Context Identifier Nhận dạng ngữ cảnh EID Extension header ID Định danh tiêu đề mở rộng EUI-64 IEEE's 64-bit Extended Unique Identifier Organizationally Unique Identifier Định danh địa IEEE 64 bít mở rộng PMTU OUI 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.Boothetal, “Web Services Architecture,” W3C Working Group Note, February 2004 http://www.w3.org/TR/ws-arch/ [2] D Booth and C.K Liu, “Web Services Description Language (WSDL) Version 2.0 Part 0: Primer,” W3C Recommendation, June 2007 http://www.w3.org/TR/wsdl20-primer/ [3] A Castellani, S Loreto, A Rahman, T Fossati, and E Dijk, “Best Practices for HTTP-CoAP Mapping Implementation,” IETF InternetDraft 02, October 2011 http://tools.ietf.org/html/draft-castellani-core-http-mapping-02 [4] A Castellani, M Gheda, N Bui, M Rossi, and M Zorzi, “Web Services for the Internet of Things through CoAP and EXI,” Proc IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC’11), July 2011 [5] W Colitti, K Steenhaut, and N De Caro, “Integrating Wireless Sensor Networks with the Web,” Proc Extending the Internet to Low Power and Lossy Networks (IP+SN’11), 2011 [6] W Colitti, K Steenhaut, N De Caro, B Buta, and V Dobrota, “REST Enabled Wireless Sensor Networks for Seamless Integration with Web Applications,” Proc the Eigth IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems (MASS’11), 2011 [7] R.T Fielding, “Architectural Styles and the Design of Network-based Software Architectures,” Ph.D Thesis, University of California, Irwine, 2000 [8] M Gudgin et al., “SOAP Version 1.2 Part 1: Messaging Framework (Second Edition),” W3C Recommendation, April 2007 http://www.w3.org/TR/soap12-part1/ [9] M Gudgin et al., “SOAP Version 1.2 Part 2: Adjuncts (Second Edition),” W3C Recommendation, April 2007 http://www.w3.org/TR/soap12-part2/ [10] D Guinard, I Ion, and S Mayer, “In Search of an Internet of Things Service Architecture: REST or WS-*? A Developers’ Perspective,” Proc 79 the Eigth International ICST Conference on Mobile and Ubiquitous Systems (Mobiquitous’11), 2011 [11] M Hadley, “Web Application Description Language,” W3C Member Submission, August 2009 http://www.w3.org/Submission/wadl/ [12] IEEE, “Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs),” IEEE Std 802.15.4d-2009, April 2009 http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4d-2009.pdf [13] N Kushalnagar, G Montenegro, and C Schumacher, “IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs): Overview, Assumptions, Problem Statement, and Goals,” IETF RFC 4919, August 2007 http://tools.ietf.org/html/rfc4919 [14] G Montenegro, N Kushalnagar, J Hui, and D Culler, “Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks,” IETF RFC 4944, September 2007 http://tools.ietf.org/html/rfc4944 [15] J Schneider and T Kamiya, “Efficient XML Interchange (EXI) Format 1.0,” W3C Recommendation, March 2011 http://www.w3.org/TR/exi/ [16] Z Shelby, K Hartke, C Bormann, and B Frank, “Constrained Application Protocol (CoAP),” IETF Internet-Draft 08, November 2011 http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-core-coap-08 [17] Z Shelby, “Embedded Web Services,” J IEEE Wireless Communications, vol 17, no 6, pp 52-57, December 2010 [18] Z Shelby, “Embedded Web Services,” lecture slides, November 2011 https://noppa.aalto.fi/noppa/kurssi/t-110.5150/luennot/T110_5150_embedded_web_services_in_iot.pdf [19] T Winter et al., “RPL: IPv6 Routing Protofol for Low Power and Lossy Networks,” IETF Internet-Draft 19, March 2011 http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-roll-rpl-19 [20] D Yazar and A Dunkels, “Efficient Application Integration in IP-Based Sensor Networks,” November 2009 80 [21] D Zeng, S Guo, and Z Cheng, “The Web of Things: A Survey (Invited Paper),” J Communications, vol 6, no 6, pp 424-438, September 2011 [22] H Zimmermann, “OSI Reference Model-The ISO Model of Architecture for Open Systems Interconnection,” J IEEE Transactions on Communications, vol 28, no 4, pp 425-432, April 1980 [23] Simon Duquennoy, Adam Dunkels, “A Low-Power CoAP for Contiki,” [24] W Colitti, K Steenhaut, N De Caro, B Buta, and V Dobrota, “REST Enabled Wireless Sensor Networks for Seamless Integration with Web Applications,” Proc the Eigth IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems (MASS’11), 2011 [25] Z Shelby, K Hartke, C Bormann, and B Frank, “Constrained Application Protocol (CoAP),” IETF Internet-Draft 08, November 2011 http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-core-coap-08 [26] A Castellani, S Loreto, A Rahman, T Fossati, and E Dijk, “Best Practices for HTTP-CoAP Mapping Implementation,” IETF Internet-Draft 02, October 2011 http://tools.ietf.org/html/draft-castellani-core-http-mapping-02 81 PHỤ LỤC - DEMO Xin đọc kỹ file Readme.txt CD-ROM kèm để biết vị trí chương trình demo ví dụ REST hệ điều hành Contiki với Tmote Sky 82