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

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 đề xuất cải tiến hiệu giao thức với nội dung cụ thể sau:  Giới thiệu tổng quan vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây  Trình bày chi tiết giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây  Kịch mô giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây  Đánh giá nhận xét giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây dựa mô thực nghiệm  Đưa đề xuất cải tiến hiệu 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 kết mô  LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo T.S Vũ Chiến Thắng, Khoa Công nghệ điện tử Truyền thông, Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên dành nhiều thời gian quan tâm đôn đốc, định hướng giúp đỡ em trình nghiên cứu hoàn thành đồ án Bên cạnh đó, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến thầy cô giáo Khoa Công nghệ điện tử Truyền thông – Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên thầy cô giáo giảng dạy trường giúp đỡ em tích lũy nhiều kinh nghiệm kiến thức chuyên môn trình dài học tập, nghiên cứu đồng thời tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất động viên tinh thần, giúp đỡ cho em phát triển thân trang bị đủ vốn kiến thức để em hoàn thành đồ án Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn quan tâm, sẻ chia động viên từ gia đình, bạn bè 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 năm 2016 Sinh Viên Thực Hiện Đồ Án Nguyễn Hà Phương Thùy LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan toàn nội dung báo cáo em tự tìm hiểu nghiên cứu định hướng thầy giáo hướng dẫn Nội dung báo cáo không chép vi phạm quyền từ công trình nghiên cứu Nếu lời cam đoan không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Thái Nguyên, tháng năm 2016 Sinh Viên Thực Hiện Đồ Án Nguyễn Hà Phương Thùy MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU8 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 11 1.2 Tổng quan vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây 1.2.1 Thước đo lượng nút 1.2.2 Thước đo số bước nhảy 15 1.2.3 Thước đo thông lượng 15 12 14 1.2.4 Thước đo độ trễ 15 1.2.5 Thước đo độ tin cậy liên kết 16 1.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến 17 1.4 Những thách thức vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây 18 1.5 Khảo sát số giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây 20 1.5.1 Giao thức thu thập liệu CTP 21 1.5.2 Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây 1.6 Kết luận chương 23 28 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPv6 CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 29 2.1 Hoạt động giao thức RPL 29 2.1.1 Một số thuật ngữ 29 2.1.2 Giới thiệu giao thức RPL 32 2.1.3 Các tin điều khiển RPL 35 2.1.4 Quá trình xây dựng DODAG 46 2.1.5 Cơ chế tránh phát vòng lặp định tuyến 47 2.1.6 Quản lý định thời 48 2.2 Thực thi giao thức RPL hệ điều hành Contiki 50 2.2.1 Cấu trúc thực thi giao thức RPL 2.2.2 Hoạt động nút gốc 50 52 2.2.3 Hoạt động nút thành viên 54 2.3 Kết luận chương 55 CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPV6 CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 56 3.1 Đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây 3.1.1 Các tham số đánh giá 56 3.1.2 Đánh giá mô 57 3.1.3 Đánh giá thực nghiệm 60 3.1.4 Nhận xét 56 63 3.2 Đề xuất giải pháp cải tiến hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây 64 3.2.1 Mục đích thiết kế thách thức giao thức IRPL 65 3.2.2 Giải pháp thiết kế 65 3.3 Thực thi giao thức định tuyến IPv6 cải tiến ((Improved RPL-IRPL ) 3.4 Đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cải tiến dựa mô 68 3.4.1 Các tham số đánh giá 68 3.4.2 Đánh giá mô 69 3.4.3 Kết đánh giá mô 3.5 Kết luận chương 74 74 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 67 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây với nút cảm biến phân bố rải rác trường cảm biến 11 Hình 1.2 Cấu trúc liên kết mạng xây dựng theo giao thức CTP 22 Hình 1.3 ETXlink liên kết 23 Hình 2.1 Ví dụ DODAG 32 Hình 2.2 Cấu trúc chung tin điều khiển RPL Hình 2.3 Cấu trúc tin điều khiển RPL bảo mật 36 37 Hình 2.4 Định dạng đối tượng sở tin DIO 38 Hình 2.5 Định dạng đối tượng sở tin DAO 39 Hình 2.6 Định dạng phần sở tin DIS 41 Hình 2.7 Định dạng chung tùy chọn tin điều khiển RPL 41 Hình 2.8 Định dạng tùy chọn Pad1 42 Hình 2.9 Định dạng tùy chọn PadN 42 Hình 2.10 Định dạng tùy chọn thông tin yêu cầu 43 Hình 2.11 Định dạng tùy chọn mang thước đo định tuyến DAG 44 Hình 2.12 Định dạng tùy chọn thông tin chuyển tiếp Hình 2.13 Ví dụ việc hình thành DODAG 45 46 Hình 2.14 Cơ chế tránh phát vòng lặp định tuyến DODAG Hình 2.15 Thực thi giao thức RPL hệ điều hành Contiki 51 Hình 2.16 Cấu trúc thành phần module Contiki RPL Hình 2.17 Pha khởi tạo nút gốc 53 Hình 2.18 Cơ chế điều khiển kiện nút gốc 54 Hình 2.19 Pha khởi tạo nút thành viên 54 Hình 2.20 Cơ chế điều khiển kiện nút thành viên Hình 3.1 Mô hình triển khai mạng gồm 31 nút 58 Hình 3.2 So sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu Hình 3.3 So sánh công suất tiêu thụ trung bình 59 59 55 51 47 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 tin 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 Hình 3.9 Cấu trúc tin điều khiển DIO 62 67 Hình 3.10 Thực thi giao thức IRPL Contiki68 Hình 3.11 Mô hình triển khai mạng gồm 26 nút 70 Hình 3.12 So sánh tỷ lệ nút sống mạng 71 Hình 3.13 So sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu 72 Hình 3.14 So sánh cân lượng nút mạng 73 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Mô hình lượng phần cứng TUmote 57 Bảng 3.2 Kịch đánh giá mô 58 Bảng 3.3 Kịch đánh giá thực nghiệm 60 Bảng 3.4 Mô hình lượng TUmote 66 Bảng 3.5 Kịch đánh giá mô 70 Bảng 3.6 Kết đo tỷ lệ nút sống mạng (ANR) Bảng 3.7 Kết đo tỷ lệ chuyển phát tin liệu(DDR) 72 Bảng 3.8 Kết đo cân lượng nút 73 71 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt CTP DAO Tên Tiếng Anh Ý nghĩa Collection Tree Protocol Giao thức thu thập liệu Destination Advertisement Object Bản tin đối tượng thông báo đích đến DIO DAG Information Object Bản tin đối tượng thông tin DODAG DIS DAG Information solicitation Bản tin yêu cầu thông tin DODAG ETX Expected Transmision Số lần truyền kỳ vọng IETF Internet Engineering Task Force Mạng lưới gồm đối tượng có khả IoT Internet of Things IRPL Improved RPL LBR Library Boder Router LLNs Ủy ban Kỹ thuật Internet kết nối Internet Cải tiến giao thức định tuyến cho mạng tổn hao công suất thấp Low-Power and Lossy Networks Thư viện định tuyến biên mạng Mạng tổn hao công suất thấp LLNs LQL Link Quality Level Chất lượng liên kết OF Objective function Hàm mục tiêu WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, nhờ có phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật với tiến vượt bậc công nghệ chế tạo tạo điều kiện cho hệ mạng đời IoT (Internet of Things) Và nay, IoT chủ đề nóng thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới Nhiều chuẩn giao thức khác đề xuất cho mô hình mạng IoT Một chuẩn việc sử dụng giao thức IPv6 môi trường liên kết vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 Để chuẩn hóa mặt giao thức, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF hình thành hai nhóm công tác nhóm 6LoWPAN nhóm RoLL Nhóm 6LoWPAN thực chuẩn hóa lớp thích ứng cần thiết với giao thức IPv6 mạng sử dụng lớp vật lý IEEE 802.15.4 Nhóm RoLL thực nhiệm vụ chuẩn hóa giao thức định tuyến IPv6 cho thiết bị có tài nguyên hạn chế môi trường liên kết vô tuyến có tổn hao công suất thấp Nhóm RoLL đề xuất giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) nhằm xây dựng cấu trúc liên kết mạng bền vững qua liên kết tổn hao công suất thấp với yêu cầu trạng thái liên kết tối thiểu Trên sở đó, em chọn đề tài “ Nghiên cứu cải tiến hiệu 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 cải tiến hiệu giao thức Nội dung báo cáo gồm ba chương chính:  Chương : Định tuyến mạng cảm biến không dây  Chương : Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây  Chương : Cải tiến hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây Mặc dù em cố gắng để hoàn thành song thời gian có hạn chủ đề nhiều mẻ nên không tránh khỏi sai sót định trình nghiên cứu làm báo cáo, em mong đóng góp thầy, cô giáo để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, tháng năm 2016 SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Hà Phương Thùy CHƯƠNG 1: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY  Giới thiệu mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) kết cấu hạ 10 3.1.4 Nhận xét Hình 3.2 hình 3.6 cho thấy mô thực nghiệm, giao thức RPL có tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR thấp so với giao thức CTP Kết đánh giá mô thực nghiệm tương đồng Tuy nhiên, tỷ lệ DDR giao thức RPL mức tương đối cao (> 90%) Kết hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết Đối với giao thức RPL, cấu hình sử dụng giao thức UDP lớp giao vận Giao thức UDP có ưu điểm đơn giản, tiêu đề nhỏ gọn, hiệu lượng Tuy nhiên, giao thức UDP chế để đảm bảo tin liệu vận chuyển thành công đến nút đích Ngược lại, với giao thức CTP cấu hình chế xác nhận truyền lại Số lần truyền lại tối đa 31 lần truyền Nếu vượt 31 lần truyền, tin bị loại bỏ Cơ chế giúp tăng độ tin cậy trình chuyển phát tin liệu Vì vậy, giao thức CTP đạt tỷ lệ DDR mức cao (>98%) Hình 3.3 hình 3.7 cho thấy mức tiêu thụ công suất trung bình toàn mạng giao thức RPL giao thức CTP Kết mô thực nghiệm tương đồng cho thấy giao thức RPL hiệu mặt lượng so với giao thức CTP Kết đánh giá hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết Giao thức CTP thực chế xác nhận truyền lại Bởi vậy, tin truyền lại xảy mát tin Cơ chế xác nhận truyền lại làm phát sinh thêm chi phí lượng Hình 3.4 hình 3.8 phản ánh số lần thay đổi nút cha trung bình toàn mạng Kết đánh giá cho thấy giao thức RPL có độ ổn định cấu trúc mạng so với giao thức CTP Độ ổn định cấu trúc mạng thể số lần thay đổi nút cha giao thức RPL mức thấp nhiều so với giao thức CTP Điều dẫn đến nhược điểm nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt phải thực nhiều việc truyền dẫn mạng Các nút mạng hết lượng nhanh nút mạng khác tạo thành lỗ hổng mạng, làm giảm thời gian sống mạng Đây thách thức quan 66 trọng mạng cảm biến không dây hoạt động pin Hình 3.4 cho thấy chu kỳ gửi tin liệu 40s, giao thức RPL có số lần thay đổi nút cha cao so với thời điểm khác Số lần thay đổi nút cha tăng phản ánh cấu trúc mạng có nhiều thay đổi Do mạng RPL, ta sử dụng giao thức UDP lớp giao vận nên chế xác nhận truyền lại Vì vậy, cấu trúc mạng có nhiều thay đổi tỷ lệ DDR bị giảm theo (hình 3.2) Kết đánh giá thực nghiệm hình 3.6, 3.7, 3.8 kiểm chứng lại kết mô hình 3.2, 3.3, 3.4 Tuy nhiên, môi trường mô UDI Cooja chưa sát với điều kiện truyền sóng thực tế Vì vậy, kết mô cho thấy hiệu mạng giao thức RPL CTP tốt so với kết thực nghiệm Qua việc phân tích, đánh giá mô trên, em nhận thấy giao thức RPL tồn hai vấn đề cần khắc phục:  Thứ nhất, giao thức RPL có khuynh hướng sử dụng lâu dài liên kết có chất lượng tốt Điều dẫn đến việc cân lượng nút mạng DODAG Do vậy, số nút mạng hết lượng nhanh so với nút mạng khác  Thứ hai, mạng hỗn hợp bao gồm nhiều nút cảm biến trang bị loại nguồn lượng khác giao thức RPL chưa có phân loại chất lượng dịch vụ cho kiểu lưu lượng liệu khác mạng  3.2 Đề xuất giải pháp cải tiến hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây Nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Một đề xuất cải tiến đưa giao thức định tuyến IPv6 có nhận thức lượng cho mạng cảm biến không dây - giao thức định tuyến 67 IPv6 cải tiến (Improved RPL-IRPL ) Giao thức IRPL sử dụng kết hợp hai thước đo định tuyến chất lượng liên kết (ETX) trạng thái lượng lại nút chuyển tiếp để lựa chọn tuyến đường tối ưu Sự kết hợp hai thước đo định tuyến cho phép lựa chọn tuyến đường tối ưu nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Trong giao thức IRPL, nút có số lượng lại ngưỡng cho trước không tham gia vào trình chuyển tiếp tin liệu Ta thay đổi ngưỡng số lượng lại để đánh giá ảnh hưởng việc lựa chọn ngưỡng số lượng lại đến hiệu toàn mạng 3.2.1 Mục đích thiết kế thách thức giao thức IRPL Mục đích việc thiết kế giao thức IRPL nhằm đảm bảo cân lượng nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt nâng cao thời gian sống nút mạng Có hai thách thức đặt thiết kế giao thức IRPL  Thứ : Cần phải xác định số lượng lại nút mạng Cách xác định số lượng lại nút mạng cần thực nhiều kiến trúc phần cứng khác không làm phát sinh thêm chi phí phần cứng Chỉ số lượng lại so sánh với ngưỡng cho trước để xác định trạng thái lượng nút mạng  Thứ hai : Cần phải đề xuất thuật toán lựa chọn tuyến đường dựa hai thước định tuyến chất lượng liên kết ETX trạng thái lượng nút chuyển tiếp Tuyến đường chuyển tiếp tin liệu lựa chọn phải đảm bảo có chất lượng liên kết tốt đồng thời tránh nút mạng gần hết lượng 3.2.2 Giải pháp thiết kế Năng lượng lại nút cảm biến xác định theo công thức: 68 Eresidual = E0 - Econsumption (3.3) Trong đó: Eresidual, E0, Econsumption lượng lại, lượng ban đầu lượng tiêu thụ nút cảm biến Năng lượng tiêu thụ nút cảm biến tính toán sau : Econsumption = U( Iata+Iltl+Irtr+) (3.4) Trong đó: U điện áp nguồn cung cấp; Ia, ta dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ tích cực (active mode); Il, tl dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ công suất thấp (low power mode); It, tt dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ truyền (transmit); Ir, tr dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ nhận (receive); Ici, tci dòng tiêu thụ thời gian hoạt động phận khác cảm biến, LED Trong đề tài nghiên cứu này, đánh giá giao thức IRPL sử dụng phần cứng TUmote[8] Bảng 3.4 trình bày mô hình lượng cho TUmote Các số liệu dòng tiêu thụ lấy từ tài liệu kỹ thuật nhà sản xuất linh kiện Bảng 3.4 Mô hình lượng TUmote Thành phần Trạng thái Dòng tiêu thụ MSP430 F1611 Tích cực 1,95 mA Công suất thấp 0,0026 mA Truyền (0dBm) 17,4 mA Nhận 19,7 mA Tích cực 0,55 mA CC2420 SHT11 Với mô hình lượng TUmote, quan tâm đến thành phần tiêu thụ lượng bỏ qua thành phần tiêu thụ lượng nhỏ khác Chỉ số lượng lại EI (Energy Indicator) nút cảm biến xác định theo công thức sau: EI(%) = 100% 69 (3.5) Chỉ số lượng lại so sánh với ngưỡng cho trước Nếu số lượng lại thấp ngưỡng cho trước tương ứng với trạng thái gần hết lượng nút cảm biến không tham gia vào trình chuyển tiếp tin liệu mạng Trạng thái lượng nút cảm biến mã hóa bit mang trường cờ (Flags) tin điều khiển DIO Hình 3.9 mô tả cấu trúc tin điều khiển DIO Hình 3.9 Cấu trúc tin điều khiển DIO  3.3 Thực thi giao thức định tuyến IPv6 cải tiến ((Improved RPL-IRPL ) Tiến hành thực thi giao thức IRPL hệ điều hành Contiki Contiki hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây phổ biến nay[4] Giao thức IRPL xây dựng ngăn xếp truyền thông uIPv6 hệ điều hành Contiki Hình 3.10 minh họa thành phần giao thức IRPL Ngăn xếp truyền thông uIPv6 gọi đến module ContikiRPL nhận tin ICMPv6 (DIO, DIS, DAO) cần tìm kiếm nút lân cận Module ContikiRPL gọi đến ngăn xếp truyền thông uIPv6 để thiết lập tuyến đường bảng định tuyến Chúng ta mở rộng cấu trúc bảng định tuyến ContikiRPL để lưu thông tin trạng thái lượng lại nút lân cận 70 Module ContikiRPL sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX trạng thái lượng lại nút lân cận để thiết lập tuyến đường mạng Thông tin phản hồi chất lượng liên kết thực khối ước lượng chất lượng liên kết Khối ước lượng lượng tiêu thụ có nhiệm vụ xác định số lượng lại nút cảm biến Chỉ số lượng lại so sánh với ngưỡng cho trước để xác định trạng thái lượng lại nút cảm biến Thông tin chất lượng liên kết trạng thái lượng lại gửi tới nút lân cận thông qua tin DIO Hình 3.10 Thực thi giao thức IRPL Contiki 71  3.4 Đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cải tiến dựa mô Trong đề tài nghiên cứu này, kết đánh giá mô với giao thức IRPL thông qua việc so sánh hiệu giao thức IRPL với giao thức RPL 3.4.1 Các tham số đánh giá 3.3.1.1 Tỷ lệ chuyển phát tin liệu Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR (Data Delivery Ratio) xác định tỷ số số tin liệu nhận nút gốc tổng số tin liệu gửi tất nút mạng DDR(%) = 100% (3.6) Trong đó: Nreceived tổng số tin liệu nhận nút gốc; Ndata tổng số tin liệu gửi tất nút mạng Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR cao hiệu truyền thông mạng tốt 3.3.1.2 Sự cân lượng nút Để đánh giá cân lượng nút mạng, dựa vào số lượng lại EI nút mạng Thước đo đánh giá cân lượng EIB (Energy Indicator Balance) nút mạng xác định theo công thức sau: EIB= (3.7) Trong đó: số lượng lại trung bình nút mạng 3.3.1.3 Thời gian sống mạng Thời gian sống mạng định nghĩa khoảng thời gian bắt đầu truyền dẫn mạng kết thúc tỷ lệ phần trăm nút hết lượng ngưỡng cho trước Giá trị ngưỡng thiết lập tùy thuộc vào ứng dụng Định nghĩa có liên quan đến thời gian sống nút mạng không xét đến vai trò cụ thể nút mạng bị hết lượng Nếu tỷ lệ phần trăm thiết lập 100% thời điểm nút mạng hết 72 lượng thời điểm kết thúc thời gian sống mạng 3.4.2 Đánh giá mô Để đánh giá giao thức IRPL dựa mô phỏng, công cụ mô sử dụng Cooja Mô xét với DODAG bao gồm 26 nút mạng phân bố ngẫu nhiên trường cảm biến có kích thước (100m x 100m) Bảng 3.5 tóm tắt kịch đánh giá mô với hai giao thức IRPL RPL 73 Bảng 3.5 Kịch đánh giá mô Các tham số Mô hình truyền thông vô tuyến Giá trị UDI (Unit Disk Graph with Distance Interference) Số nút mạng 26 Kích thước mạng 100m x 100m Phạm vi phủ sóng nút Phạm vi truyền: 30m Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50m Năng lượng ban đầu 10J Chu kỳ gửi tin liệu 15s Nguồn gửi tin liệu Tất nút mạng Giao thức lớp MAC CSMA/ContikiMAC[9] Hình 3.11 mô hình triển khai mạng gồm 26 nút Các nút mạng định kỳ gửi tin liệu nút gốc (DODAG root) nút số 74 Hình 3.11 Mô hình triển khai mạng gồm 26 nút Bảng 3.6 hình 3.12 kết đánh giá mô so sánh tỷ lệ nút sống mạng (ANR) giao thức IRPL giao thức RPL Bảng 3.6 Kết đo tỷ lệ nút sống mạng (ANR) Thời gian (phút) RPL(%) IRPL_20(%) IRPL_25(%) IRPL_30(%) 13 96 100 100 100 15 96 100 100 100 17 92 96 75 100 96 19 69 88 88 92 Hình 3.12 So sánh tỷ lệ nút sống mạng Bảng 3.7 hình 3.13 kết đánh giá mô so sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu (DDR) giao thức IRPL giao thức RPL Bảng 3.7 Kết đo tỷ lệ chuyển phát tin liệu(DDR) Thời gian (phút) RPL(%) IRPL_20(%) IRPL_25(%) IRPL_30(%) 13 89.1 84.4 86.3 83.7 15 87.3 84.2 83.9 78.7 17 84.8 80.1 80.3 73.2 19 77.3 76.2 74.8 68.1 Hình 3.13 So sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu Bảng 3.8 hình 3.14 kết đánh giá mô so sánh cân lượng (EIB) giao thức IRPL giao thức RPL Bảng 3.8 Kết đo cân lượng nút Thời gian (phút) RPL(%) IRPL_20(%) IRPL_25(%) IRPL_30(%) 13 80.0 69.2 68.6 67.3 15 88.2 76.9 74.1 65.7 17 97.4 80.9 76.5 62.4 19 83.3 73.1 73.5 55.6 76 đánh giá mô hình 3.12 cho thấy thời gian sống nút mạng mạng hoạt động theo giao thức IRPL cải thiện tốt so với giao thức RPL ban đầu Hình 3.12 cho thấy với ngưỡng số lượng lại 25% thời gian sống mạng cải thiện tốt Kết mô hình 3.13 cho thấy tỷ lệ chuyển phát tin liệu giao thức IRPL thấp so với giao thức RPL Giao thức IRPL với ngưỡng số lượng lại 20% 25% đảm bảo tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR mức chấp nhận so với giao thức RPL ban đầu Giao thức IRPL với ngưỡng số lượng lại mức 30% có tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR thấp so với giao thức IRPL ngưỡng 20%, 25% thấp nhiều so với giao thức RPL Trong khoảng thời gian cuối trình mô phỏng, tỷ lệ nút sống mạng giảm nên tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR giảm theo Kết mô hình 3.14 cho thấy giao thức IRPL đảm bảo cân lượng nút mạng tốt so với giao thức RPL ban đầu Điều thể đường cong EIB giao thức IRPL ba trường hợp tương ứng với ngưỡng 20%, 25%, 30% thấp so với đường cong EIB giao thức RPL Tổng hợp kết mô hình 3.12 3.13 cho thấy giao thức IRPL với ngưỡng số lượng lại 25% đạt hiệu tốt thời gian sống đồng thời đảm bảo tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR mức chấp nhận so với giao thức RPL ban đầu  3.5 Kết luận chương Chương tiến hành đánh giá đưa nhược điểm giao thức RPL thông qua việc mô đo đạc thực tế, từ để đề xuất giao thức cải tiến hiệu có tên giao thức IRPL thông qua việc mô 77 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu em hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp Trong báo cáo này, em tìm hiểu trình bày nội dung liên quan đến giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây đặc biệt giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây nghiên cứu đưa cải tiến cho giao thức Phần lý thuyết có liên quan trình bày đầy đủ Lưu đồ thuật toán, kịch tóm tắt biểu đồ so sánh giải thích rõ ràng mô tả chi tiết báo cáo Phần trình bày kết đánh giá để chứng minh lại lý thuyết đưa nhận xét cụ thể giao thức Tuy nhiên, thời gian thực báo cáo hạn hẹp, nên báo cáo em không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận phê bình, đóng góp thầy, cô môn để báo cáo em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Phạm Việt Bình, TS Vũ Chiến Thắng, “Mạng cảm biến không dây kiến trúc IP”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2012 [2] Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, “A Comparative Study on Hardware Platforms for Wireless Sensor Networks,” International Journal on Advanced Science Engineering Information Technology, 2012, ISSN: 2088-5334, Vol 2, No 1, pp 70-74 [3] Jean-Philippe Vasseur, Adam Dunkels, “Interconnecting Smart Object with IP: The Next Internet,” Morgan Kaufmann Publishers, 2010 [4] Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, “Operating System for Wireless Sensor Networks and an Experiment of Porting ContikiOS to MSP430 Microcontroller,” Journal of Computer Science and Information, Vol 5, Issue 1, February 2012, ISSN: 2088-7051, pp 50-56 [5] De Couto D, Aguayo D, Bicket J, Morris R , “A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing” In: Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, New York, 2003 [6] Omprakash Gnawali, Rodrigo Fonseca, Kyle Jamieson, David Moss, and Philip Levis, “Collection Tree Protocol,” In Proceedings of the 7th ACM Conference on Embedded Net-worked Sensor Systems (SenSys 2009), Berkeley, CA, USA, November 2009 [7] Adam Dunkels, Fredrik Osterlind, Nicolas Tsiftes, Zhitao He, “Software-based Online Energy Estimation for Sensor Nodes,” Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors, 2007 [8] Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “Về hệ thống nghiên cứu thực nghiệm cho mạng cảm biến không dây,” Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 3(64), 2013, ISSN 1859-1531, trang 103-109 [9] A.Dunkels, “The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol,” SICS 79 technical report, December 2011 80 [...]... 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)... 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 28 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPv6 CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY  2.1 Hoạt động của giao thức RPL... 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. .. 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... 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,... 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... 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. .. 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... 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... 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 ... Chương : Định tuyến mạng cảm biến không dây  Chương : Giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây  Chương : Cải tiến hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây Mặc... Kết luận chương 55 CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPV6 CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 56 3.1 Đánh giá giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây 3.1.1 Các tham số đánh... chương nghiên cứu chi tiết giao thức định tuyến IPv6 mạng cảm biếm không dây 28 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPv6 CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY  2.1 Hoạt động giao thức RPL Hoạt động giao thức