Nghiên cứu cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

Thước đo độ tin cậy của liên kết Các giao thức định tuyến như OSPF hay IS-IS không sử dụng các thước đo về độ tin cậy bởi vì các liên kết được sử dụng trong mạng Internet như SONET/SDH,

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Đề tài tập trung nghiên cứu, đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây đồng thời đưa ra đề xuất cải tiến hiệu năng của giao thức với các nội dung cụ thể như sau:

 Giới thiệu tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây

 Trình bày chi tiết giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

 Kịch bản mô phỏng giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

 Đánh giá và nhận xét giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây dựa trên mô phỏng và thực nghiệm

 Đưa ra đề xuất cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

 Thực thi giao thức định tuyến IPv6 cải tiến cho mạng cảm biến không dây

 Đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cải tiến cho mạng cảm biến không dây dựa trên kết quả mô phỏng



LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo T.S Vũ Chiến Thắng,

Khoa Công nghệ điện tử và Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã dành nhiều thời gian quan tâm đôn đốc, định hướng và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án

Bên cạnh đó, em cũng xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ điện tử và Truyền thông – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên cùng các thầy cô giáo giảng dạy tại trường đã giúp đỡ em tích lũy được nhiều kinh nghiệm cũng những kiến thức chuyên môn trong cả quá trình dài học tập, nghiên cứu đồng thời tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như động viên tinh thần, giúp đỡ cho em phát triển bản thân và trang bị đủ vốn kiến thức để em có thể hoàn thành đồ án

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, sẻ chia và động viên từ gia đình, bạn bè đã luôn ở bên ủng hộ, giúp đỡ em để em có thêm động lực phấn đấu hoàn thành tốt đồ án

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2016

Sinh Viên Thực Hiện Đồ Án

Nguyễn Hà Phương Thùy

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này là do em tự tìm hiểu nghiên cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn Nội dung báo cáo này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2016

Sinh Viên Thực Hiện Đồ Án

Nguyễn Hà Phương Thùy

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 11

1.2 Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây 12

1.2.2 Thước đo số bước nhảy 15

1.2.3 Thước đo thông lượng 15

1.2.4 Thước đo độ trễ 15

1.2.5 Thước đo độ tin cậy của liên kết 16

1.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến17

1.4 Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây18

1.5 Khảo sát một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây 20

1.5.2 Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây 23

2.1.4 Quá trình xây dựng DODAG 46

2.1.5 Cơ chế tránh và phát hiện vòng lặp định tuyến 47

2.1.6 Quản lý các bộ định thời 48

2.2 Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki 50

2.2.1 Cấu trúc thực thi giao thức RPL 50

2.2.2 Hoạt động của nút gốc 52

2.2.3 Hoạt động của các nút thành viên 54

2.3 Kết luận chương 2 55

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPV6 CHO

3.1 Đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến 11

Hình 1.2 Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP 22

Hình 1.3 ETXlink của một liên kết 23

Hình 2.1 Ví dụ về một DODAG 32

Hình 2.2 Cấu trúc chung của một bản tin điều khiển RPL 36

Hình 2.3 Cấu trúc bản tin điều khiển RPL bảo mật 37

Hình 2.4 Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DIO 38

Hình 2.5 Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DAO 39

Hình 2.6 Định dạng phần cơ sở của bản tin DIS 41

Hình 2.7 Định dạng chung của các tùy chọn trong bản tin điều khiển RPL 41Hình 2.8 Định dạng của tùy chọn Pad1 42

Hình 2.9 Định dạng của tùy chọn PadN 42

Hình 2.10 Định dạng của tùy chọn thông tin được yêu cầu 43

Hình 2.11 Định dạng của tùy chọn mang thước đo định tuyến DAG 44

Hình 2.12 Định dạng của tùy chọn thông tin chuyển tiếp 45

Hình 2.13 Ví dụ về việc hình thành DODAG 46

Hình 2.14 Cơ chế tránh và phát hiện vòng lặp định tuyến trong DODAG 47Hình 2.15 Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki 51

Hình 2.16 Cấu trúc các thành phần trong module Contiki RPL 51

Hình 2.17 Pha khởi tạo của nút gốc 53

Hình 2.18 Cơ chế điều khiển sự kiện của nút gốc 54

Hình 2.19 Pha khởi tạo của các nút thành viên 54

Hình 2.20 Cơ chế điều khiển sự kiện của nút thành viên 55

Hình 3.1 Mô hình triển khai mạng gồm 31 nút 58

Hình 3.2 So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 59

Hình 3.3 So sánh công suất tiêu thụ trung bình 59

Hình 3.4 So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình 60

Hình 3.5 Mô hình triển khai mạng gồm 10 nút 61

Hình 3.6 So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 61

Hình 3.7 So sánh công suất tiêu thụ trung bình 62

Hình 3.8 So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình 62

Hình 3.9 Cấu trúc bản tin điều khiển DIO 67

Hình 3.10 Thực thi giao thức IRPL trên Contiki68

Hình 3.11 Mô hình triển khai mạng gồm 26 nút 70

Hình 3.12 So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng 71

Hình 3.13 So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 72

Hình 3.14 So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 73

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ liệu

DAO Destination Advertisement

Object Bản tin đối tượng thông báo đích đếnDIO DAG Information Object Bản tin đối tượng thông tin DODAGDIS DAG Information solicitation Bản tin yêu cầu thông tin DODAG

IETF Internet Engineering Task

IoT Internet of Things Mạng lưới gồm các đối tượng có khả

năng kết nối Internet

IRPL Improved RPL Cải tiến giao thức định tuyến cho

mạng tổn hao công suất thấp

LBR Library Boder Router Thư viện bộ định tuyến biên của

mạng

LLNs Low-Power and Lossy

Networks Mạng tổn hao công suất thấp LLNs

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời đó là IoT (Internet of Things)

Và hiện nay, IoT đang là một chủ đề nóng thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Nhiều chuẩn giao thức khác nhau đã được đề xuất cho mô hình mạng IoT Một trong những chuẩn đó chính là việc sử dụng giao thức IPv6 trên môi trường liên kết vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 Để chuẩn hóa về mặt giao thức, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF đã hình thành hai nhóm công tác đó là nhóm 6LoWPAN và nhóm RoLL Nhóm 6LoWPAN thực hiện chuẩn hóa lớp thích ứng cần thiết với giao thức IPv6 trên các mạng sử dụng lớp vật lý IEEE 802.15.4 Nhóm RoLL thực hiện nhiệm vụ chuẩn hóa giao thức định tuyến IPv6 cho các thiết bị có tài nguyên hạn chế trên môi trường liên kết vô tuyến

có tổn hao và công suất thấp Nhóm RoLL đã đề xuất giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) nhằm xây dựng một cấu trúc liên kết mạng bền vững qua các liên kết tổn hao công suất thấp với các yêu cầu trạng thái liên kết tối thiểu

Trên cơ sở đó, em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu cải tiến hiệu năng giao

thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây” để làm báo cáo đồ án tốt

nghiệp với mục đích tìm hiểu, đánh giá và cải tiến hiệu năng của giao thức

Nội dung báo cáo gồm ba chương chính:

 Chương 1 : Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

 Chương 2 : Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

 Chương 3 : Cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

Mặc dù em đã cố gắng hết sức để hoàn thành song do thời gian có hạn và chủ đề này còn nhiều mới mẻ nên cũng không tránh khỏi những sai sót nhất định trong quá trình nghiên cứu và làm báo cáo, do vậy em rất mong được sự đóng góp của thầy, cô giáo để

đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2016

SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Hà Phương Thùy CHƯƠNG 1: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ

tầng bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện, hiện tượng trong một môi trường xác định Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học…

Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác

trong trường cảm biến

Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt ( như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt

độ cao,…)

Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh họa ở hình 1.1 Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến một Sink/Gateway và người dùng cuối Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng Sink có thể truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng

cuối Lưu ý rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể hiện ở hình 1.1.

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng

đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu Do vậy, việc truyền thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:

 Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và

thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink

 Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc

chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đường đa chặng đến Sink

 Tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Định tuyến là một trong những giao thức quan trọng trong mạng cảm biến không dây Nhiệm vụ của các giao thức định tuyến là tìm ra được tuyến đường tốt nhất từ nguồn đến đích

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng

đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu Do vậy, việc truyền thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:

 Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và

thực hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink

 Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cùng tham gia vào việc

chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp trong tuyến đường đa chặng đến Sink

Các thước đo định tuyến là thành phần quan trọng của chiến lược định tuyến và đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua Hầu hết các giao thức định tuyến trong các mạng IP ngày nay như OSPF, IS-IS đều sử dụng các thước đo liên kết tĩnh Nhà quản trị mạng chịu trách nhiệm cấu hình các thước đo liên kết Các thước đo liên kết có thể phản ánh được băng thông của liên kết, độ trễ hoặc có thể

là sự kết hợp của một vài thước đo khác nhau Một số nhà cung cấp dịch vụ cong

kết hợp đến ba thước đo khác nhau như độ trễ, băng thông và chi phí Dựa vào đó, giao thức định tuyến sẽ tính toán đường đi ngắn nhất dựa trên các thước đo liên kết tĩnh này.

Một vài thước đo định tuyến động cũng đã được nghiên cứu Ví dụ như các nghiên cứu mở rộng được thực hiện trong mạng ARPANET-2 nhằm tính toán thước đo liên kết động dựa trên độ dài hàng đợi trung bình để phản ánh mức độ tắc nghẽn trong mạng Những chiến lược định tuyến này đã không được áp dụng vì những khó khăn trong việc thiết kế các hệ thống ổn định Một trong những thách thức chính đối với các thước đo định tuyến động đó là cần phải kiểm soát cẩn thận tốc độ thông báo các thước đo định tuyến mới Sự thay đổi thường xuyên thước đo liên kết sẽ cung cấp một mức độ chính xác cao nhưng cũng có thể dẫn đến sự mất

ổn định Ví dụ khi thước đo liên kết phản ánh tình trạng sử dụng liên kết thì việc tăng thước đo làm tăng lưu lượng qua các liên kết và kích hoạt việc định tuyến lại lưu lượng trong mạng Nếu không được kiểm soát cẩn thận thì các chiến lược đó sẽ không tránh khỏi những thay đổi trong việc định tuyến lưu lượng mạng Điều đó

có thể dẫn đến hiện tượng jitter và sự sắp xếp lại các gói tin Một điều đặc biệt cần quan tâm trong các mạng cảm biến không dây đó là cần phải hạn chế về chi phí lưu lượng điều khiển bởi vì băng thông và công suất là các tài nguyên bị hạn chế trong các mạng này Bên cạnh đó, việc định tuyến lại lưu lượng được thực hiện quá thường xuyên sẽ tạo ra sự tắc nghẽn trong mạng và cũng dẫn đến sự tiêu hao năng lượng Đây là một vấn đề cần quan tâm đối với các nút cảm biến không dây hoạt động bằng pin

Một trong những đặc điểm của các thước đo định tuyến trong các giao thức định tuyến hiện tại đó là chúng chỉ liên quan đến các liên kết Các thước đo định tuyến này được cảm nhận là rất tốt cho mạng Internet hiện nay bởi vì hầu hết các

bộ định tuyến trong mạng lõi đều không phải là các nút thắt cổ chai Ngược lại, việc định tuyến trong các mạng cảm biến không dây yêu cầu nhiều thước đo định tuyến phức tạp hơn

Sự khác biệt giữa thước đo định tuyến và sự ràng buộc Thước đo định tuyến là một đại lượng vô hướng được dùng để xác định đường đi tốt nhất theo một số hàm mục tiêu Ví dụ, nếu thước đo định tuyến đại diện cho trễ truyền dẫn của liên kết thì chi phí tuyến đường được thể hiện là tổng trễ truyền dẫn đến đích và hàm mục tiêu có thể xác định được tuyến đường ngắn nhất dựa trên trễ truyền dẫn Sự ràng buộc được sử dụng để gộp hoặc loại bỏ các liên kết hoặc các nút không đáp ứng được các tiêu chí cụ thể (thường được biết đến là định tuyến dựa trên sự ràng buộc) Ví dụ hàm mục tiêu không thể lựa chọn bất kỳ tuyến đường nào đi qua một nút hoạt động bằng pin hoặc không hỗ trợ việc bảo mật ở lớp liên kết Hàm mục tiêu có thể kết hợp các thước đo của liên kết hoặc nút và các ràng buộc như “ tìm ra đường đi có trễ nhỏ nhất mà không đi qua bất kỳ liên kết nào không được mã hóa”.

Các thước đo và các ràng buộc của liên kết và các nút đối với giao thức RPL sẽ được thảo luận trong các mục tiếp theo Một ví dụ về thước đo liên kết đó

là mức chất lượng liên kết LQL (Link Quality Level) LQL là một số nguyên từ 0 đến 3 đặc trưng cho chất lượng liên kết (xấu, bình thường, tốt) Hàm mục tiêu có thể được quy định để loại bỏ các liên kết với mức chất lượng xấu hoặc xác định tuyến đường có số liên kết chất lượng xấu là nhỏ nhất

1.2.1 Thước đo năng lượng của nút

Năng lượng là một thước đo quan trọng trong mạng cảm biến không dây Một vài mức độ chi tiết để mô tả năng lượng của một nút đã được đưa ra bao gồm: chế độ nguồn năng lượng tiêu thụ của nút, ước lượng thời gian sống còn lại, có thể

là một vài chi tiết về các thước đo và các thuộc tính có liên quan đến nguồn năng lượng

 Chế độ nguồn năng lượng của nút: Có 3 cờ được sử dụng để xác định khi nào nút sử dụng nguồn năng lượng lâu dài, khi nào nút sử dụng nguồn năng lượng bằng pin và khi nào nút sử dụng các nguồn năng lượng lấy từ môi trường (ví

dụ như năng lượng mặt trởi)

 Ước lượng thời gian sống còn lại: Cách tiếp cận này cung cấp thông tin

về mức nguồn năng lượng cho các nút hoạt động bằng pin và cả các nút hoạt động bằng nguồn năng lượng lấy từ môi trường Với các nút hoạt động bằng pin thì đơn vị này được tính bằng cách lấy thời gian sống dự kiến hiện tại chia cho thời gian sống tối thiểu mong muốn Một ví dụ về cách tính toán giá trị này như sau:

 Nếu một nút có thể đo được công suất tiêu thụ trung bình của nó thì giá trị H có thể được tính toán bằng tỷ số giữa công suất tối đa mong muốn (năng lượng ban đầu E_0 được chia cho thời gian sống mong muốn T) và công suất thực

tế còn lại: H = P_max/P_now

 Nếu năng lượng của pin (E_bat) có thể ước lượng được và tổng thời gian sống đã trôi qua (t) được xác định thì giá trị H có thể được tính như sau: H = E_0/[E_bat.T/(T-t)]

Trong trường hợp nút hoạt động bằng nguồn năng lượng được lấy từ môi trường thì giá trị này được tính bằng cách lấy công suất được cung cấp từ môi trường chia cho công suất được tiêu thụ bởi ứng dụng

 Chi tiết về các thước đo và các thuộc tính liên quan đến công suất có thể được sử dụng và sẽ được định nghĩa trong tương lai

1.2.2 Thước đo số bước nhảy

Thước đo số bước nhảy để xác định số bước nhảy dọc theo tuyến đường đến nút đích

1.2.3 Thước đo thông lượng

Thước đo thông lượng để thông báo thông lượng của liên kết Khi được sử dụng thì thông lượng có thể được sử dụng như một thước đo tổng hoặc để thông báo thông lượng lớn nhất hay nhỏ nhất của liên kết

1.2.4 Thước đo độ trễ

Độ trễ được sử dụng để thông báo trễ tuyến đường Tương tự như thông lượng, độ trễ có thể được sử dụng như một thước đo hoặc một ràng buộc

Khi được sử dụng như một thước đo thì đối tượng trễ biểu diễn tổng lượng trễ (thước đo tổng) và trễ lớn nhất hay nhỏ nhất dọc theo tuyến đường Khi được sử dụng như một ràng buộc thì trễ có thể được sử dụng để loại bỏ các liên kết có độ trễ lớn hơn một giá trị cho trước.

1.2.5 Thước đo độ tin cậy của liên kết

Các giao thức định tuyến như OSPF hay IS-IS không sử dụng các thước đo

về độ tin cậy bởi vì các liên kết được sử dụng trong mạng Internet như SONET/SDH, các liên kết cáp quang và Ethernet đều có độ tin cậy rất cao với tỷ

lệ lỗi thấp Trong các mạng này, chất lượng liên kết thường được biểu diễn bằng tỷ

lệ lỗi bit BER và nó không được sử dụng để lựa chọn tuyến đường

Tuy nhiên, đối với các mạng cảm biến không dây thì các liên kết có tổn hao Các liên kết không chỉ có BER cao mà các trạng thái liên kết có thể thay đổi nhiều theo thời gian

Rất nhiều bài báo nghiên cứu đã khảo sát các thước đo đánh giá độ tin cậy cho các liên kết tổn hao cũng như các liên kết công suất thấp Thước đo đánh giá

độ tin cậy được sử dụng phổ biến nhất là số lần truyền kỳ vọng (ETX) Số lần truyền kỳ vọng ETX đặc trưng cho số lần truyền dẫn gói tin trung bình cần thiết để truyền thành công một gói tin Do đó ETX được kết hợp chặt chẽ với thông lượng dọc theo tuyến đường Có một vài kỹ thuật đã được đề xuất để tính toán ETX

Có một phương thức để tính toán giá trị ETX đó là gửi đều đặn các gói tin thăm dò theo mỗi hướng Giá trị ETX = 1/(Df.Db), trong đó Df là xác suất mà một gói tin nhận được bởi nút lân cận và Db là xác suất gói tin báo nhận nhận được thành công Có một cách để tính toán Df và Db đó là gửi các gói tin thăm dò ở những khoảng thời gian định kỳ và cả hai điểm cuối đều biết tần suất gửi các gói tin thăm dò này Bằng việc thông báo số gói tin thăm dò nhận được theo chiều ngược lại, mỗi nút có thể dễ dàng tính toán cả hai giá trị

Cách thức tính toán giá trị ETX không được quy định rõ bởi IETF

Giá trị ETX là một đại lượng cho một liên kết cụ thể và kỹ thuật được sử dụng để tính toán giá trị ETX nên độc lập với lớp liên kết và không được quy định bởi lớp mạng Lớp mạng chỉ lưu trữ nó cho các quyết định của giao thức định tuyến Giá trị ETX cho một tuyến đường được tính bằng tổng các giá trị ETX cho mỗi liên kết dọc theo tuyến đường.

 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến

Các mạng cảm biến không dây phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin đến nút gốc nên các mạng này có nhiều đặc điểm gần giống với những mạng khác Mạng cảm biến không dây gần giống với mạng MANET ở một số phương diện như mạng tự tổ chức, đa chặng, phân tán và kết cấu hạ tầng mạng thường xuyên thay đổi Những đặc điểm tương đồng này kết hợp với những đặc điểm riêng của mạng cảm biến không dây đã ảnh hưởng nhiều đến việc thiết kế các giao thức định tuyến Những ảnh hưởng này bao gồm:

 Một mạng cảm biến không dây thường bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên với mật độ cao trong trường cảm biến Do

đó, rất khó có thể xây dựng một cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu cho mạng cảm biến không dây bởi vì điều đó sẽ không hiệu quả và khó để quản lý

 Các nút cảm biến thường được triển khai ngẫu nhiên và chúng ít được bảo trì Do đó, các mạng cảm biến không dây phải tự cấu hình, tự phục hồi và vận hành theo cách phân tán

 Các nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng xử lý, phạm vi truyền thông và dung lượng bộ nhớ Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây khác hẳn với các mạng MANET bởi vì nguồn pin của nút cảm biến chỉ được triển khai một lần và không được nạp lại

 Mặc dù khả năng di động của các nút bị hạn chế nhưng cấu trúc liên kết mạng lại luôn thay đổi bởi vì các nguyên nhân sau: Các nút cảm biến có thể phải liên tục tiếp xúc với một môi trường khắc nghiệt dẫn đến việc hư hỏng các nút cảm

biến; Các nút cảm biến có thể hết năng lượng; Bộ thu phát vô tuyến của nút cảm biến có thể đang ở chế độ ngủ; Chất lượng liên kết vô tuyến không ổn định do ảnh hưởng bởi các mạng không dây khác sử dụng cùng một dải tần số.

 Các mạng cảm biến không dây chủ yếu được thiết kế để thu thập thông tin với các dòng dữ liệu chỉ theo một chiều từ các nút cảm biến đến nút gốc Đặc điểm này có thể phân biệt mạng cảm biến không dây với các mạng khác (đặc biệt

là mạng MANET)

 Lưu lượng dữ liệu được tạo ra có sự dư thừa và có sự tương quan về không gian bởi vì các nút cảm biến liền kề nhau có thể tạo ra các dữ liệu giống nhau

Những đặc điểm này dẫn đến nhiều thách thức khi thiết kế giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây

 Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Một số những thách thức chính đặt ra đối với các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây đó là:

 Thời gian tồn tại dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể

kéo dài từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin Các nút cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ do vậy nguồn năng lượng của chúng bị hạn chế Điều này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến Bộ thu phát vô tuyến là thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất của một nút cảm biến Do đó giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian tồn tại của toàn mạng Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời hai chức năng đó là: Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu Một số nút bị ngừng hoạt động

có thể gây ra những thay đổi nhiều về cấu trúc liên kết mạng và có thể yêu cầu phải

tổ chức lại mạng Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán định tuyến được

đề xuất cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như các phương thức phân nhóm,

phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp dữ liệu và tập trung dữ liệu.

 Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến

không dây Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến Việc định tuyến trong các trường hợp này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ nhớ lưu trữ rất hạn chế

 Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế

nhiều đến các giao thức định tuyến Do đó, các thuật toán định tuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho các mạng cảm biến không dây Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng cách sử dụng một

số nút cảm biến có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính toán nhanh hơn Những mạng không đồng nhất như vậy cần phải được xem xét đến khi thiết kế giao thức định tuyến

 Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao thức

định tuyến cho mạng cảm biến không dây Có hai nguyên nhân chính dẫn đến việc các nút trong mạng không đồng nhất Thứ nhất là hoàn toàn có thể tăng được hiệu năng của mạng thông qua việc triển khai một số nút có năng lượng, khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút còn lại trong mạng Các nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng của các nút khác đến nút gốc Thứ hai là sự khác biệt giữa các nút cảm biến có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng Một số nút cảm biến có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến chúng bị mất năng lượng nhanh hơn các nút khác Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút cảm biến có mức nguồn năng lượng thấp để bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trong mạng

 Sự triển khai các nút mạng trong mạng cảm biến không dây phụ thuộc

vào ứng dụng Quá trình triển khai các nút cảm biến có thể là ngẫu nhiên hoặc

cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng Trong trường hợp đầu tiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu nhiên và các tuyến đường cần phải được xác định theo cách phân tán Trong trường hợp thứ hai, các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin có thể được chuyển tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước Trong trường hợp mạng có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ được phân cấp.

 Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các bản

tin Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các hoạt động chung của mạng Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến đường dự phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường hợp liên kết mạng bị lỗi

 Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng

Các nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền nhưng cùng với đó là sự tiêu hao nhiều về nguồn năng lượng Việc gửi các bản tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo dài thời gian tồn tại của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin Ngược lại, khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn

 Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được

đáp ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích Tuy nhiên, những yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng cảm biến không dây có thể rất khác so với các mạng truyền thống Các tham số chất lượng dịch vụ trong các mạng truyền thống có thể chưa đủ để mô tả chúng Ngoài các tham số cơ bản như độ trễ thì còn có một số tham số khác bao gồm: Lỗi phân loại sự kiện (các

sự kiện không chỉ được phát hiện mà còn được phân loại và xác suất lỗi phân loại

sự kiện cần phải thấp), trễ phát hiện sự kiện (là độ trễ được tính từ thời điểm phát hiện một sự kiện và thời điểm gửi thông báo đến nút gốc), độ chính xác của việc

bám mục tiêu (trong trường hợp ứng dụng bám mục tiêu thì vị trí của đối tượng cần phải được thông báo gần với vị trí của đối tượng trong thế giới thực nhất có thể), tỷ lệ mất các thông báo (tỷ lệ các thông báo không thể được gửi đi bởi ứng dụng).

 Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm

biến không dây Các nút cảm biến có thể cố định hoặc di động do đó việc định tuyến các bản tin trở nên phức tạp hơn Ngoài ra, trong một số trường hợp các nút gốc có thể di chuyển và điều này cũng cần phải tính đến khi thiết kế các mô hình định tuyến

 Khảo sát một số giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Có rất nhiều giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây như giao thức định tuyến phẳng, trung tâm dữ liệu (Flooding, Gossiping, SPIN, Directed Diffusion); giao thức định tuyến dựa trên sự phân cụm (LEACH, PEGASIS, TEEN); giao thức định tuyến dựa trên vị trí (MECN, GAF, GEAR); giao thức cây thu thập dữ liệu CTP; giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây (RPL)

Tuy nhiên hiện nay giao thức CTP và RPL là hai giao thức được đánh giá là

có chất lượng hiệu quả nhất cho mạng cảm biến không dây

1.5.1 Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP

Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP (Collection Tree Protocol) được xây dựng dựa trên phương pháp tiếp cận định tuyến phẳng, tự tổ chức Giao thức CTP cho phép truyền thông hiệu quả từ các nút mạng trong trường cảm biến đến một trong các nút gốc Giao thức CTP đã được thực thi trên hệ điều hành Contiki và TinyOS

Giao thức thu thập dữ liệu quy định việc xây dựng và duy trì một hoặc nhiều cây định tuyến và mỗi cây đều có một nút là nút gốc Trong mạng, các nút chuyển tiếp các bản tin thông qua cấu trúc cây định tuyến đến ít nhất một trong các nút gốc Để thực hiện việc chuyển tiếp bản tin thì mỗi nút sẽ lựa chọn một trong

các nút lân cận làm nút cha của nó Các nút đóng vai trò là nút cha chịu trách nhiệm xử lý các bản tin mà chúng nhận được từ các nút con và chúng tiếp tục chuyển tiếp các bản tin đến nút gốc.

1.5.1.1 Mô hình hoạt động

Hầu hết các hệ thống mạng cảm biến không dây đều dựa trên hai giao thức vận hành cơ bản đó là: Giao thức thu thập dữ liệu (Collection protocol) để lấy dữ liệu từ mạng và giao thức gửi dữ liệu vào mạng thông qua một hoặc nhiều nút mạng Bởi vì mục đích chính của các mạng cảm biến thường là thu thập thông tin cảm nhận được trong trường cảm biến nên các giao thức thu thập dữ liệu được tập trung nghiên cứu nhiều

Tất cả các giao thức thu thập cho phép chuyển tiếp gói tin đến một điểm thu thập dữ liệu (được gọi là Sink/Gateway) sử dụng cây định tuyến với chi phí tối thiểu Chi phí thường được tính là số lần truyền kỳ vọng ETX sao cho: Các nút gửi

dữ liệu trên tuyến đường có số lần truyền để đến được điểm thu thập là ít nhất

Hình 1.2 Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP

Các giao thức thu thập ban đầu xây dựng một cấu trúc cây định tuyến Theo

đó, mỗi nút lựa chọn một bước nhảy kế tiếp cho tất cả các lưu lượng dữ liệu được chuyển tiếp bởi nút đó Điều này tạo thành một cây định tuyến hướng về một điểm thu thập cố định Cấu trúc cây định tuyến được xây dựng thông qua việc thiết lập một Gradient chi phí định tuyến Điểm thu thập có chi phí bằng 0 Mỗi nút tính toán chi phí của các bước nhảy kế tiếp bằng cách cộng chi phí của nó với chi phí của liên kết nối đến nút đó Một cách quy nạp, chi phí của một nút là tổng các chi phí của các liên kết trong tuyến đường của nó đến điểm thu thập

Để xây dựng và duy trì cấu trúc cây định tuyến thì đầu tiên cần phải xác định thước đo định tuyến để các nút có thể lựa chọn nút cha (Parent) của nó Một

số thước đo có thể được sử dụng để lựa chọn nút Parent như số bước nhảy đến nút gốc, thuộc tính năng lượng của nút hoặc chất lượng liên kết Trong mọi trường hợp, các nút cần phải thu thập thông tin về các nút lân cận để tính toán thước đo định tuyến và lựa chọn nút Parent Để thực hiện điều này, các nút định kỳ trao đổi các bản tin báo hiệu được gọi là bản tin beacon Bản tin beacon mang thông tin về thước đo định tuyến như số bước nhảy đến Sink hay chất lượng liên kết đến Sink

1.5.1.2 Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức CTP

Để xây dựng và duy trì cấu trúc cây định tuyến thì cần phải xác định một thước đo định tuyến để các nút có thể lựa chọn tuyến đường tối ưu Một số thước

đo định tuyến có thể được sử dụng như số bước nhảy đến nút gốc, thuộc tính năng lượng của nút hoặc chất lượng liên kết

Hiện tại, giao thức CTP được xây dựng trên hệ điều hành Contiki dựa trên một thước đo định tuyến duy nhất đó là số lần truyền kỳ vọng (ETX- Expected Transmision)

ETX của một liên kết là số lần truyền cần thiết để gửi thành công một bản tin từ nguồn đến đích qua liên kết đó bao gồm cả việc truyền lại Hình 1.3 minh

họa cách tính thước đo ETX link của một liên kết

Hình 1.3 ETX link của một liên kết Thước đo ETX link của một liên kết được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

- D f: Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều từ nút A đến nút B

- D b : Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều ngược lại từ nút B đến A

Thước đo ETX của một tuyến đường rtmetric (route metric) được xác định

bằng tổng ETX link của tất cả các liên kết trên toàn tuyến đường đó

Thước đo rtmetric của mỗi nút được gửi quảng bá cho các nút lân cận thông qua việc trao đổi các bản tin điều khiển

Tuyến đường tốt nhất là tuyến đường có tổng ETX trên các liên kết là nhỏ nhất và đây cũng là tuyến đường hiệu quả về mặt năng lượng nhất

1.5.2 Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây

Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến luôn là một thách thức khó khăn đòi hỏi cần phải cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và hiệu quả Chính vì vậy rất nhiều giao thức định tuyến đã được triển khai Trong thời đại công nghệ hiện nay, xu hướng IoT đang trở nên toàn cầu hóa, IPv6 đóng vai trò quan trọng đối với mô hình mạng IoT IPv6 hoàn toàn theo nguyên tắc kiến trúc cơ bản của IPv4 , tuy nhiên so với IPv4 thì IPv6 có không gian địa chỉ lớn hơn và có khả năng

tự động cấu hình do vậy, IPv6 là phiên bản tiếp theo của IP nhằm giải quyết một số hạn chế của IPv4 Do đó giao thức định tuyến IPv6 trong mạng cảm biến không dây cũng được rất nhiều quan tâm

Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks) hay còn được gọi là giao thức RPL được thiết kế cho các mạng tổn hao công suất thấp LLNs (Low-Power and Lossy Networks) với các nút mạng có tài nguyên hạn chế và được kết nối với nhau bởi các liên kết tổn hao (có sự mất mát bản tin) Trong những mạng này, lưu lượng bản tin dữ liệu thường bị giới hạn và lưu lượng bản tin điều khiển cần được giảm

xuống ở mức thấp nhất có thể để tiết kiệm băng thông và năng lượng.

RPL là một giao thức vectơ khoảng cách Giao thức này xây dựng cấu trúc mạng gồm một/nhiều đồ thị không có chu trình được định hướng tới một/nhiều đích đến - DODAG (Destination Oriented Direct Acyclic Graph) Các tuyến đường được xây dựng từ các nút trong mạng đến một trong những nút gốc của các DODAG Giao thức định tuyến vectơ khoảng cách hoàn toàn phù hợp với tính chất hạn chế về tài nguyên của các nút mạng

1.5.2.1 Giới thiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biếm không dây (RPL)

Năm 2008, tổ chức IETF đã hình thành nhóm công tác RoLL nhằm đưa ra những quy định cụ thể về các giải pháp định tuyến cho các mạng tổn hao công suất thấp Nhiệm vụ đầu tiên của nhóm RoLL là xây dựng các yêu cầu định tuyến, từ đó xác định xem liệu các giao thức định tuyến do IETF đã quy định đang tồn tại có đáp ứng được các yêu cầu định tuyến này không, nhóm RoLL đã xác định phạm vi giới hạn công việc tập trung vào bốn ứng dụng: Các mạng đô thị , tự động hóa tòa nhà, tự động hóa công nghiệp và ngôi nhà tự động Dựa vào yêu cầu định tuyến được quy định trong các tài liệu ứng dụng, giao thức định tuyến RPL đã được thiết

kế để có tính môđun hóa rất cao Trong đó, phần cốt lõi của giao thức sẽ thực hiện những phần giống nhau giữa các yêu cầu định tuyến của từng ứng dụng cụ thể và các môđun bổ sung sẽ được thêm vào khi cần thiết phải giải quyết các yêu cầu riêng

Các nghiên cứu của nhóm RoLL đã cho thấy rằng không một giao thức định tuyến nào đang tồn tại có thể đáp ứng được các yêu cầu định tuyến riêng của các mạng tổn hao công suất thấp Do vậy, nhóm RoLL đã thiết kế một giao thức định tuyến mới được gọi là giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks)

Giao thức định tuyến RPL đã được thực thi trên nhiều hệ điều hành khác nhau như Contiki, TinyOS

1.5.2.2 Các yêu cầu đối với giao thức định tuyến trong mạng tổn hao công suất thấp

Khi định nghĩa một giao thức mới, cách tốt nhất là chúng ta nên bắt đầu với các đặc điểm kỹ thuật của giao thức, các quy tắc xử lý, mã hóa gói tin… Nếu không hiểu rõ về các yêu cầu này thì không thể tránh khỏi những khó khăn khi cố gắng để hiểu về giao thức khi các yêu cầu mới được bổ sung vào Để tránh những tình huống như vậy, IETF tạo ra các tài liệu cần thiết Một trong những thách thức chính đối với RoLL đó là xác định phạm vi công việc của nhóm Trái ngược với các mạng IP truyền thống thì các tổn hao công suất

thấp có thể khác nhau rất nhiều Do vậy, nhóm RoLL đã xác định phạm vi giới hạn công việc của họ tập trung vào bốn ứng dụng: Các mạng đô thị (bao gồm cả các ứng dụng lưới thông minh – Smart Grid), tự động hóa tòa nhà, tự động hóa công nghiệp và ngôi nhà tự động Các ứng dụng này đại diện cho các loại khác nhau của mạng và cần thiết phải thiết kế các giải pháp định tuyến cho chúng Vì vậy cần phải xác định các yêu cầu định tuyến cho các ứng dụng này.

Nhóm công tác RoLL đã tạo ra bốn tài liệu yêu cầu đối với vấn đề định tuyến Các yêu cầu định tuyến này không được giả định trên một lớp liên kết cụ thể nào mà chỉ xác định một danh sách các yêu cầu cho các mạng tổn hao công suất thấp:

 Unicast/anycast/multicast: Một số tài liệu yêu cầu đã quy định việc hỗ

trợ lưu lượng unicast, anycast, multicast là một yêu cầu bắt buộc

 Định tuyến thích nghi: Trong hầu hết các tài liệu yêu cầu đều xác định

sự cần thiết của định tuyến thích nghi mà ở đó các tuyến đường mới được tính toán lại một cách tự động theo sự thay đổi của mạng (ví dụ như nút mạng bị lỗi hoặc liên kết bị lỗi, sự di động .) Hơn nữa, các giao thức định tuyến này cần phải có khả năng tính toán được tuyến đường tối ưu đối với các số liệu định tuyến khác nhau (ví

dụ trễ nhỏ nhất, độ tin cậy cao nhất ) Một số tài liệu yêu cầu còn quy định cụ thể đó

là giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được một tuyến đường đáp ứng được các yêu cầu cụ thể (ví dụ như tuyến đường có độ trễ thấp hơn một giá trị cụ thể)

 Định tuyến dựa trên sự ràng buộc: Tất cả các tài liệu yêu cầu đều đề

cập đến việc giao thức định tuyến cần phải hỗ trợ việc định tuyến dựa trên

sự ràng buộc Giao thức định tuyến cần thực hiện được trên các nút bị ràng buộc

về công suất, khả năng xử lý và bộ nhớ cũng như các đặc tính của liên kết chẳng hạn như độ trễ của liên kết

 Các đặc điểm lưu lượng: Có một số mạng chỉ quan tâm đến việc thu

thập dữ liệu (ví dụ đo lường từ xa) Trong đó, hầu hết các lưu lượng từ các nút lá (chẳng hạn như các cảm biến) đến điểm thu thập dữ liệu (sink) Loại lưulượng này thường được biết đến là lưu lượng Đa điểm - Điểm (MP2P) Đôi khi các mạng này cũng cần hỗ trợ cả lưu lượng Điểm - Đa điểm (P2MP) Ví dụ như khi nút gốc gửi một yêu cầu đến tất cả các nút trong mạng Hơn nữa, một số tài liệu yêu cầu giao thức định tuyến cần phải hỗ trợ việc truyền thông Điểm - Điểm (P2P) giữa các nút trong mạng Giao thức định tuyến cũng cần phải hỗ trợ việc tính toán các tuyến đường song song (không nhất thiết phải tách rời nhau) để chuyển tiếp lưu lượng một cách hiệu quả khi có sự bùng nổ về lưu lượng Trong một số trường hợp cần

yêu cầu hỗ trợ sự cân bằng chi phí trên nhiều tuyến đường.

 Khả năng mở rộng: Do số lượng nút mạng được triển khai trong một

số ứng dụng tương đối lớn nên khả năng mở rộng là yêu cầu rất quan trọng Các tài liệu yêu cầu đối với giao thức định tuyến xác định số lượng nút từ 250 đến 1000 và thậm chí lên tới nút Có những triển khai thậm chí còn yêu cầu hỗ trợ hàng triệu nút Trong các trường hợp cụ thể đó, việc triển khai giao thức định tuyến có thể tuân theo một số quy tắc cụ thể (ví dụ như phân vùng mạng)

 Cấu hình và quản lý: Có khá nhiều các yêu cầu liên quan đến việc cấu

hình.Hầu hết các tài liệu đã chỉ ra rằng giao thức định tuyến cần phải có thể tự động cấu hình tối Mặt khác người dùng có thể phải thay thế một nút mạng mà không can thiệp vào việc cấu hình Do vậy, giao thức định tuyến cần phải hỗ trợ để nút đó có thể tham gia vào mạng và bắt đầu hoạt động như các nút khác trong mạng Ngoài ra, giao thức định tuyến phải có thể cách ly các nút bị hỏng hoặc bị loại bỏ để tránh ảnh hưởng của nó đến các nút khác

 Đặc tính của nút: Do trong mạng luôn có một số nút đang ở chế độ

“ngủ” (thường phù hợp với các nút vận hành bằng pin) Do đó, giao thức định tuyến phải có khả năng khám phá được khả năng của một nút để đóng vai trò là một proxy Một gói tin có thể được chuyển tiếp đến một proxy và proxy này có thể chuyển tiếp gói tin đó đến đích mỗi khi nó “thức giấc”

 Vấn đề an ninh mạng: Vấn đề an ninh mạng rất quan trọng đối với các

mạng IoT.Đối với các mạng IoT ứng dụng trong đo lường từ xa thì vấn đề an ninh mạng không đòi hỏi cao Tuy nhiên, đối với các trường hợp ứng dụng trong tự động hóa tòa nhà, tự động hóa công nghiệp thì vấn đề bảo mật là rất quan trọng Vấn đề nhận thực và mã hóa được quy định trong hầu hết các tài liệu là yêu cầu bắt buộc

Làm thế nào để có thể giải quyết được các mục tiêu đối lập nhau? Đó luôn

là một thách thức khi xem xét các yêu cầu định tuyến được quy định bởi một số ứng dụng khác biệt nhau Cách tiếp cận ban đầu là xem xét sự kết hợp của tất cả các yêu cầu Tuy nhiên, cách tiếp cận này thường không thực tế và rất phức tạp Ngay cả khi tất cả các yêu cầu này được đáp ứng bởi một giao thức định tuyến thì các kết quả thu được cũng không có lợi Ví dụ tại sao một giao thức định tuyến hoạt động trong một tòa nhà lại cần thiết phải hỗ trợ các đặc điểm cần thiết cho các mạng lưới đô thị? Giao thức định tuyến hoàn toàn có lợi hơn khi chỉ hỗ trợ các đặc điểm cần thiết để hạn chế sự tiêu thụ tài nguyên trong mạng Một cách tiếp cận khác được chấp nhận bởi giao thức RPL đó là cần phải thiết kế một giao thức định

tuyến được môđun hóa Thành phần chính của ứng dụng sẽ được quy định bởi các đặc điểm kỹ thuật RPL cùng với đó là các tính năng tùy chọn chỉ được kích hoạt khi cần thiết Ví dụ, RPL quy định cụ thể cách xây dựng một đồ thị DODAG (Destination Oriented Directed Acyclic Graph) nhưng các đặc tính của DODAG được quy định bởi một hàm mục tiêu OF (Object Function) Một DODAG có thể được xem như là một cấu trúc liên kết định tuyến logic qua một mạng vật lý được xây dựng bởi giao thức định tuyến để đáp ứng các tiêu chí cụ thể Thậm chí, một nút có thể tham gia vào nhiều DODAG nếu ứng dụng đòi hỏi nhiều mục tiêu khác nhau cần phải được thực hiện thông qua nhiều DODAG.

1.5.2.3 Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức RPL

Cũng như các giao thức định tuyến khác, giao thức định tuyến IPv6 trên mạng cảm biến không dây cũng phải xác định một thước đo định tuyến để các nút

có thể lựa chọn tuyến đường tối ưu Một số thước đo định tuyến được sử dụng là:

số bước nhảy đến nút gốc, năng lượng của nút, thông lượng, độ trễ, độ tin cậy của liên kết

Hiện tại, cũng như giao thức CTP, RPL cũng được xây dựng trên hệ điều hành Contiki dựa trên thước đo định tuyến duy nhất đó là số lần truyền kỳ vọng (ETX- Expected Transmision)

 Kết luận chương 1

Chương này đã giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây và vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây Qua đó ta thấy rõ được tầm quan trọng của mạng cảm biến không dây đối với cuộc sống hàng ngày Với sự phát triển của công nghệ hiện nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới trong mạng cảm biến không dây để phục vụ nhu cầu của chúng ta

Tuy nhiên vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến luôn là một thách thức khó khăn đòi hỏi cần phải cân bằng giữa sự đáp ứng nhanh của mạng và hiệu quả Chính vì vậy rất nhiều giao thức định tuyến đã được triển khai và trong thời đại công nghệ hiện nay, xu hướng IoT đang trở nên toàn cầu hóa, IPv6 đóng một vai trò quan trọng đối với mô hình mạng IoT, do đó giao thức định tuyến IPv6 trong mạng cảm biến không dây cũng được rất nhiều quan tâm, giao thức này được coi là một sự lựa chọn tốt nhất khi được đem ra so sánh với các giao thức định tuyến ra đời trước đó

Trong chương 2 sẽ đi nghiên cứu chi tiết về giao thức định tuyến IPv6 trong mạng cảm biếm không dây

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPv6 CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

 2.1 Hoạt động của giao thức RPL

Hoạt động của giao thức RPL được diễn ra như sau: Đầu tiên, một hoặc một vài nút sẽ được cấu hình là các nút gốc Một cơ chế tìm kiếm các nút lân cận dựa trên các bản tin điều khiển ICMPv6 được sử dụng để xây dựng DAG RPL định nghĩa ba loại bản tin ICMPv6 mới được gọi là bản tin DIO (DODAG Information Object), bản tin DAO (Destination Advertisement Object) và bản tin DIS (DODAG Information Solicitation) DIO là bản tin mang thông tin về DODAG, được gửi từ các nút parent đến các nút children và được sử dụng để xây dựng DODAG DIS chỉ thực hiện nhiệm vụ quảng bá sự xuất hiện của một nút và yêu cầu các nút khác phản hồi bằng các bản tin DIO DAO là bản tin được gửi từ một nút children đến các parent nhằm quảng bá khả năng tham gia vào quá trình định tuyến theo chiều downward trong mạng Khi một nút đã tham gia vào một DODAG thì nó sẽ có một tuyến đường hướng về một nút gốc (có thể là một tuyến đường mặc định) để hỗ trợ lưu lượng MP2P (Multi-Point to Point) từ các nút lá về nút gốc (theo hướng lên)

2.1.1 Một số thuật ngữ

Trước khi tìm hiểu về giao thức, chúng ta cần hiểu rõ về một số thuật ngữ thường được sử dụng trong giao thức định tuyến RPL

 DAG (Directed Acyclic Graph): Là một đồ thị định hướng có đặc điểm

là tất cả các cạnh được định hướng sao cho không tồn tại một vòng kín nào Tất cả các cạnh chứa trong các tuyến đường được định hướng và kết thúc tại một hoặc nhiều nút gốc

 Nút gốc DAG (DAG root): Là nút kết thúc trong DAG Tất cả

các tuyến đường trong DAG đều kết thúc tại DAG root

 DODAG (Destination-Oriented DAG): Là một DAG kết thúc tại chỉ

một đích đến

 Nút gốc DODAG (DODAG root): Là một nút gốc của một DODAG

DODAG root có thể đóng vai trò như một bộ định tuyến biên cho DODAG Cụ thể

là nó có thể tổng hợp các tuyến đường trong DODAG và có thể phân bố lại các tuyến đường DODAG sang các giao thức định tuyến khác

 Thứ bậc của một nút (Rank): Rank của một nút xác định vị trí tương

đối của nút đó so với nút gốc Rank của các nút tăng theo chiều hướng xuống và giảm theo chiều hướng lên trong một DODAG Rank của một nút được tính toán phụ thuộc vào hàm mục tiêu Hàm mục tiêu có thể là một hàm của các thước đo liên kết và cũng có thể quan tâm đến các thuộc tính khác như các ràng buộc

 Hàm mục tiêu (Objective Function): Một hàm mục tiêu xác định các

thước đo định tuyến, các mục tiêu tối ưu hóa và các hàm có liên quan được sử dụng như thế nào để tính toán Rank Hơn nữa, hàm mục tiêu quyết định đến việc các nút parent trong DODAG được lựa chọn như thế nào từ đó hình thành nên DODAG

 Nhận dạng hàm mục tiêu (Objective Code Point): Là một số nhận

dạng để xác định DODAG sử dụng hàm mục tiêu nào

 RPLInstanceID: Là một số nhận dạng duy nhất trong một mạng Các

DODAG có cùng một RPLInstanceID thì chúng sẽ sử dụng cùng một hàm mục tiêu

 RPLInstance: Là một tập hợp của một hay nhiều DODAG chia sẻ cùng

một RPLInstanceID Trong hầu hết các trường hợp, một nút RPL có thể thuộc về một DODAG trong một RPLInstance Mỗi RPL Instance hoạt động độc lập với các RPLInstance khác

 Nhận dạng DODAG (DODAGID): Là một số nhận dạng một DODAG

root Một DODAGID là duy nhất bên trong phạm vi của một RPLInstance Sự kết hợp giữa (RPLInstanceID, DODAGID) sẽ xác định duy nhất một DODAG

 Phiên bản DODAG (DODAG Version): Là một lần lặp cụ thể (phiên bản) của một DODAG với một DODAGID cho trước.

 Số phiên bản DODAG (DODAGVersionNumber): Số phiên bản

DODAG là một bộ đếm tuần tự và được tăng lên một bởi nút gốc để hình thành một phiên bản DODAG mới Một phiên bản DODAG được xác định duy nhất bởi

sự kết hợp của (RPLInstanceID, DODAGID, DODAGVersion Number)

 Mục tiêu (Goal): Là một mục tiêu ứng dụng cụ thể được xác định bên

ngoài phạm vi của giao thức RPL Bất kỳ một nút nào là nút gốc của DODAG cần phải biết về mục tiêu này để xác định xem mục tiêu có thể được đáp ứng hay không Một mục tiêu điển hình là để xây dựng DODAG theo một hàm mục tiêu cụ thể và để giữ kết nối đến các máy chủ (ví dụ như sử dụng hàm mục tiêu để tối thiểu một thước đo định tuyến và được kết nối với một máy chủ cơ sở dữ liệu để lưu trữ dữ liệu thu thập được)

 Grounded: Một DODAG được gọi là grounded khi nút gốc DODAG có

thể đáp ứng được mục tiêu

 Floating: Một DODAG được gọi là floating nếu nó không phải là

grounded Một DODAG floating có thể không được mong đợi có các đặc tính cần thiết để đáp ứng được mục tiêu Tuy nhiên, nó có thể cung cấp kết nối đến các nút khác trong DODAG

 DODAG parent: Parent của một nút đang xét trong DODAG là một

trong các nút kế tiếp gần nhất trên tuyến đường hướng đến nút gốc Rank của một DODAG parent thấp hơn rank của nút đang xét đó

 Sub-DODAG: Sub-DODAG của một nút là một tập hợp các nút có các

tuyến đường đến nút gốc thông qua nút đó Các nút trong sub-DODAG của một nút có rank lớn hơn rank của nút đó

 DODAG cục bộ (Local DODAG): Các DODAG cục bộ chỉ chứa một

nút gốc và chúng cho phép nút gốc đó bố trí và quản lý một RPL Instance (được

xác định bởi một RPLInstanceID cục bộ) mà không cần phải phối hợp với các nút khác Thông thường, việc này được thực hiện để tối ưu các tuyến đường tới một đích đến trong mạng cảm biến không dây.

 DODAG toàn cục (Global DODAG): Một DODAG toàn cục sử

dụng một nhận dạng RPLInstanceID toàn cục và có thể được phối hợp với một vài nút khác

2.1.2 Giới thiệu về giao thức RPL

Dựa vào yêu cầu định tuyến được quy định trong các tài liệu ứng dụng, giao thức định tuyến RPL đã được thiết kế để có tính môđun hóa rất cao Trong đó, phần cốt lõi của giao thức sẽ thực hiện những phần giống nhau giữa các yêu cầu định tuyến của từng ứng dụng cụ thể và các môđun bổ sung sẽ được thêm vào khi cần thiết phải giải quyết các yêu cầu riêng

Giao thức RPL được thiết kế cho các mạng tổn hao công suất thấp trong đó các thiết bị tài nguyên hạn chế được kết nối với nhau bởi các liên kết tổn hao Tính tổn hao tự nhiên của các liên kết này không chỉ là đặc điểm của các mạng tổn hao năng công suất thấp mà nó còn ảnh hưởng đến các quyết định trong việc thiết kế giao thức RPL Ở những mạng này, lưu lượng dữ liệu thường bị giới hạn và lưu lượng điều khiển nên được giảm xuống ở mức thấp nhất có thể để tiết kiệm băng thông và năng lượng Các nút có tài nguyên hạn chế do vậy các giao thức định tuyến không nên yêu cầu việc duy trì trạng thái quá nhiều

Hình 2.1 Ví dụ về một DODAG

RPL là một giao thức vectơ khoảng cách Giao thức này xây dựng một DODAG mà ở đó các tuyến đường được xây dựng từ một nút trong mạng đến nút gốc của DODAG Lý do chính để lý giải tại sao một giao thức định tuyến vectơ khoảng cách được sử dụng đó là tính chất hạn chế về tài nguyên của các nút trong mạng cảm biến không dây Các giao thức định tuyến trạng thái liên kết hiệu quả hơn nhưng yêu cầu nhiều về tài nguyên như là về bộ nhớ để lưu trạng thái liên kết

và lưu lượng điều khiển để đồng bộ các trạng thái liên kết giữa các nút Một ví dụ

về một DODAG được minh họa ở hình 2.1 Đối lập với các cấu trúc liên kết hình cây thì các DODAG cung cấp các đường dẫn dư thừa và đó là một yêu cầu bắt buộc trong các mạng tổn hao như mạng cảm biến không dây Do vậy, nếu cấu trúc liên kết cho phép thì RPL có thể cung cấp nhiều hơn một tuyến đường giữa một nút với DODAG root và thậm chí với cả các nút khác trong mạng

Trước khi tìm hiểu sâu về các đặc điểm kỹ thuật của RPL, chúng ta cùng xem xét những vấn đề tổng quan về giao thức này Đầu tiên, nhà quản trị mạng cấu hình một hoặc một vài nút như là các nút gốc Một cơ chế khám phá các nút dựa

trên các bản tin ICMPv6 được định nghĩa được sử dụng bởi RPL để xây dựng DAG RPL định nghĩa hai loại bản ICMPv6 mới được gọi là các bản tin đối tượng thông tin DIO (DODAG Information Object) và các bản tin đối tượng thông báo đích đến DAO (Destination Advertisement Object).

Các bản tin DIO được gửi bởi các nút để thông báo thông tin về DODAG như là DODAGID, OF, DODAG rank, DODAGSequenceNumber cùng với các thông số DODAG khác chẳng hạn như các thước đo tuyến đường và các ràng buộc đối với tuyến đường Khi một nút phát hiện ra nhiều nút DODAG lân cận (các nút

đó có thể trở thành nút nút parent hoặc nút sibling) thì nó sử dụng một số quy tắc khác nhau để quyết định khi nào và ở đâu để tham gia vào DODAG Điều này cho phép xây dựng DODAG bằng cách các nút lần lượt tham gia vào DODAG Khi một nút đã tham gia vào một DODAG thì nó sẽ có một tuyến đường hướng về một nút gốc (có thể là một tuyến đường mặc định) để hỗ trợ lưu lượng MP2P (Multi-Point to Point) từ các nút lá về nút gốc (theo hướng lên)

RPL sử dụng các thuật ngữ “hướng lên” và “hướng xuống” Hướng lên là từ các nút lá hướng đến nút gốc Hướng xuống dùng để chỉ chiều ngược lại Các thuật ngữ “nút cha mẹ/nút con” (parent/children) cũng thường được sử dụng Parent của một nút trong một DODAG là nút kế tiếp gần nhất trong DODAG theo chiều hướng lên RPL cũng đưa ra thuật ngữ về “anh chị em” (sibling) Hai nút được gọi

là sibling của nhau khi chúng có cùng rank trong cùng một DODAG (lưu ý rằng chúng có thể cùng hoặc không cùng nút parent) Trong hình 2.1, nút 13 là parent của nút 24; nút 22 và nút 23 là sibling của nhau và nút 21, 22 là children của nút 11

RPL sử dụng số lần lặp được điểu khiển bởi nút gốc để duy trì DODAG Số thứ tự DODAG (DODAGSequenceNumber) là một bộ đếm được tăng lên bởi nút gốc để xác định số lần lặp của DODAG

Bởi vì DODAG chỉ cung cấp các tuyến đường mặc định từ các nút trong mạng đến nút gốc nên cần phải có một cơ chế khác để cung cấp thông tin

định tuyến theo hướng xuống và cho hướng từ điểm đến điểm (P2P) Để thực hiện

cơ chế này, RPL đã định nghĩa một loại bản tin ICMPv6 khác đó là bản tin DAO Bản tin DAO được sử dụng để thông báo thông tin tiền tố đến các nút lá Các bản tin DAO mang thông tin tiền tố cùng với thời gian sống (để xác định tính mới của thông báo đích đến) và thông tin độ sâu hoặc chi phí tuyến đường để xác định đích đến cách bao xa Lưu ý rằng, tuyến đường theo hướng này là bắt buộc bởi DODAG được xây dựng bởi RPL Trong một số trường hợp, các bản tin DAO cũng có thể ghi lại các nút đã qua Điều này đặc biệt hữu ích khi các nút trung gian không thể lưu bất kỳ trạng thái định tuyến nào Nếu nút parent nhận được các thông báo đích đến được tổng hợp từ nhiều nút con thì một cách giải quyết cục bộ

có thể được sử dụng để thực hiện tổng hợp tiền tố nhằm làm giảm kích thước bảng định tuyến và kích thước các bản tin DAO Lưu ý rằng, các bản tin DAO dư thừa được tập hợp dọc theo DODAG Một hàm mục tiêu có thể được thiết kế riêng nhằm tối đa hóa việc tổng hợp tiền tố

RPL cũng hỗ trợ lưu lượng P2P Khi nút A muốn gửi một gói tin đến nút đích B nhưng nút B không thể gửi đến một cách trực tiếp thì nó sẽ chuyển tiếp gói tin đó đến nút parent của nó Tại nút parent này, nếu đích đến có thể đạt được thông qua một trong các nút children của nó thì gói tin được chuyển tiếp theo chiều xuống Ngược lại, gói tin tiếp tục được chuyển theo hướng lên đến một nút ancestor chung và tại đó gói tin được chuyển đến đích Có một cách tối ưu hóa

đó là phát định kỳ các bản tin DAO IPv6 multicast liên kết cục bộ Do đó, nếu đích đến nằm trong phạm vi trực tiếp (một bước nhảy) thì một nút có thể gửi gói tin trực tiếp đến đích mà không phải thông qua DODAG

Việc gửi các bản tin DIO và DAO được quản lý bằng cách sử dụng các bộ định thời trickle Các bộ định thời trickle là các bộ định thời động để điều chỉnh việc gửi các bản tin điều khiển RPL nhằm giảm các bản tin dư thừa Khi DODAG không ổn định (ví dụ như DODAG đang được xây dựng lại) thì các bản tin điều khiển RPLđược gửi thường xuyên hơn Mặt khác, khi DODAG đã ổn định thì các

bản tin sẽ được gửi ít hơn để giảm chi phí điều khiển và điều này rất quan trọng đối với mạng cảm biến không dây.

Khi mà DODAG được xây dựng và các bảng định tuyến được điền vào đầy

đủ thì quá trình định tuyến có thể hoạt động một cách hoàn chỉnh Khi các liên kết

và các nút bị lỗi thì các tuyến đường được sửa chữa sử dụng các cơ chế sửa chữa toàn cục hoặc cục bộ Các sửa chữa cục bộ có thể nhanh chóng tìm được một tuyến đường được sao lưu mà không cần phải cố gắng tối ưu lại toàn bộ DODAG Trái lại, các sửa chữa toàn cục lại dựa vào một quá trình tối ưu hóa lại được điều khiển bởi nút gốc

RPL còn bổ sung khái niệm về các RPL Instance được xác định bởi một nhận dạng được gọi là RPLInstanceID Điều này có thể hữu ích khi hình thành các cấu trúc liên kết khác nhau tùy theo các hàm mục tiêu và các ràng buộc khác nhau Một nút RPL có thể tham gia vào nhiều DODAG ví dụ như: Một DODAG tối ưu hóa để có độ tin cậy cao, một DODAG lại được tối ưu hóa cho trễ thấp Các gói dữ liệu sau đó được chuyển tiếp dọc theo DODAG phù hợp theo các yêu cầu ứng

dụng.

2.1.3 Các bản tin điều khiển RPL

Cách tốt nhất để hiểu sâu về giao thức RPL đó là xem xét định dạng các gói tin của giao thức RPL sử dụng ba loại bản tin là: Bản tin đối tượng thông tin DODAG (DIO), bản tin đối tượng thông báo đích đến (DAO) và bản tin yêu cầu thông tin DODAG (DIS)

Hình 2.2 Cấu trúc chung của một bản tin điều khiển RPL

Hầu hết các bản tin RPL đều có phạm vi của một liên kết Chỉ có trường hợp ngoại trừ đó là các bản tin DAO/DAO-ACK ở chế độ không lưu trữ (non-Storing) được trao đổi sử dụng một địa chỉ unicast qua nhiều bước nhảy và do vậy

sử dụng các địa chỉ cục bộ duy nhất hoặc địa chỉ toàn cục cho cả địa chỉ nguồn và địa chỉ đích Với hầu hết các bản tin điều khiển RPL khác, địa chỉ nguồn là một địa chỉ liên kết cục bộ và địa chỉ đích có thể là địa chỉ multicast tất cả các nút RPL hoặc địa chỉ unicast liên kết cục bộ của đích đến Địa chỉ multicast tất cả các nút là một địa chỉ mới với giá trị là ff02::1a

Bản tin điều khiển RPL chứa một tiêu đề ICMPv6 và theo sau là nội dung bản tin (message body) Nội dung bản tin bao gồm phần cơ sở bản tin và có thể có một số tùy chọn khác như được minh họa ở hình 2.2

Phần tiêu đề của bản tin điều khiển RPL bao gồm các trường:

 Trường kiểu (Type): Được quy định bằng 155 để phân biệt bản tin điều khiển RPL với các bản tin của các giao thức khác

 Trường mã (Code): Được sử dụng để phân biệt các bản tin điều khiển RPL với nhau:

 Code = 0x00: Bản tin DIS

 Code = 0x01: Bản tin DIO

 Code = 0x02: Bản tin DAO

 Code = 0x03: Bản tin DAO-ACK

 Code = 0x80: Bản tin DIS bảo mật

 Code = 0x81: Bản tin DIO bảo mật

 Code = 0x82: Bản tin DAO bảo mật

 Code = 0x83: Bản tin DAO-ACK bảo mật

 Code = 0x8A: Bản tin kiểm tra tính toàn vẹn

Nếu một nút nhận được một bản tin điều khiển có trường mã không xác định thì nút đó sẽ loại bỏ bản tin mà không cần phải xử lý hoặc cũng có thể đưa ra một cảnh báo và không phải gửi lại bất kỳ một bản tin đáp ứng nào

 Trường tổng kiểm tra (Check sum): Trường tổng kiểm tra được thiết lập bằng 0 cho các chế độ hoạt động RPL bảo mật và được tính toán khi mà toàn bộ nội dung của bản tin RPL bao gồm cả các trường bảo mật được thiết lập

Các bit thứ tự cao hơn (0x80) của trường mã cho biết khi nào bản tin RPL ở chế độ bảo mật Các bản tin RPL bảo mật có định dạng nhằm hỗ trợ tính toàn vẹn

và bảo mật Hình 2.3 minh họa bản tin điều khiển RPL bảo mật

Hình 2.3 Cấu trúc bản tin điều khiển RPL bảo mật

Phần tiếp theo sẽ mô tả các định dạng phần cơ sở hiện tại của bản tin điều khiển RPL và các tùy chọn trong bản tin điều khiển RPL

2.1.3.1 Bản tin DIO

Bản tin DIO mang thông tin cho phép nút mạng phát hiện ra một RPL Instance, tìm hiểu các thông số cấu hình của nó, lựa chọn các nút parent và duy trì DODAG Hình 2.4 minh họa định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DIO Các trường được mô tả như sau:

Hình 2.4 Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DIO

 Cờ G (Grounded): Cờ G cho biết khi nào DODAG được thông báo có thể đáp ứng được mục tiêu được xác định bởi ứng dụng Nếu cờ này được thiết lập thì DODAG được gọi là grounded Ngược lại, nếu cờ này được xóa thì DODAG được gọi là floating

 Chế độ hoạt động MOP (Mode of Operation): Trường MOP xác định chế độ hoạt động của RPL Instance Tất cả các nút khi tham gia vào DODAG cần phải có khả năng tuân theo chế độ hoạt động để có thể tham gia đầy đủ như một bộ định tuyến nếu không chúng cần phải tham gia như một nút lá

 Trường DODAGPreference (Prf): Đây là một số không dấu 3 bit

để xác định nút gốc của DODAG này được ưu tiên hơn khi được so sánh với các nút gốc của các DODAG khác trong cùng một RPL Instance Trường này có phạm vi từ 0x00 (độ ưu tiên thấp nhất) đến 0x07 (được ưu tiên nhất)

 Trường số phiên bản (Version number): Là một số nguyên không dấu 8 bit được thiết lập bởi nút gốc để xác định số phiên bản DODAG

 Trường thứ bậc (Rank): Là một số nguyên không dấu 16 bit để