Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network WSN)

Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network WSN)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC HÀ NỘI KHOA: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG -  BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN: Mạng máy tính Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) Giảng viên hướng dẫn : Sinh viên thực Nhóm :Ts Lê Anh NgọcLớp :D7DTVT2 HàNội Nội5/2016 5/2016 Hà Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc LỜI NÓI ĐẦU Nhờ có tiến lĩnh vực truyền thông vô tuyến năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nên ý lĩnh vực thông tin Hiện nay, người ta tập trung triển khai mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào sống hàng ngày Mạng cảm ứng ứng dụng nhiều đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm ứng không dây nguồn lượng bị giới hạn, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng lĩnh vực khác Trong tương lai ứng dụng mạng cảm ứng không dây trở thành phần thiếu sống Trong tiểu luận nhóm em giới thiệu cách tổng quan mạng cảm ứng không dây, giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô đánh giá giao thức mạng cảm biến không dây Đó giao thức AODV Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT UDP WSN GPS ID CDMA TDMA User Datagram Protocol Wireless Sensor Network Global Positioning System Identifier Code Division Multiple Access Time Divistion Multiple Access CSMA Carrier Sense Multiple Access SPIN AODV MAC GAF GEAR NAM NS TCP QoS SMP TADAP SQDDP ADC MAC ADV REQ DS - SS BS CH Sensor protocols for information via Giao thức gói người dùng Mạng cảm biến không dây Hệ thống định vị toàn cầu Mã nhận dạng Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập phân chia theo thời gian Truy cập đường truyền có lắng nghe sóng mang Giao thức cho thông tin liệu thông negotiation qua đàm phán Ad-hoc on-demand distance vector Định tuyến cự ly theo yêu cầu tùy routing Media Access Control Geographic adaptive fidelity Geographic and Energy-Aware biến Điều khiển truy cập đường truyền Giải thuật xác theo địa lý Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng Routing Network Animator Network Simulator Transmission Control Protocol Quanlity of Service Sensor Management Protocol Task Assignment and Data hiệu lượng Minh họa mạng Mô mạng Giao thức điều khiển truyền tải Chất lượng dịch vụ giao thúc quản lí mạng cảm biến G.thức quảng bá liệu định Advertisement Protocol Sensor Query and Data Analog-to-Digital Converter Media Access Control Advertise Request Directed-Sequence Spread Spectrum Base Station (Sink) Cluster Head nhiệm vụ cho sensor giao thức phân phối liệu Bộ chuyển đổi tương tự - Số Điều khiển truy nhập môi trường Bản tin quảng bá Bản tin yêu cầu Trải phổ Trạm gốc Nút chủ cụm Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc node mạng WSN I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN 12 I.4.1 Thời gian sống bên 12 I.4.2 Sự đáp ứng 12 I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) 12 I.4.4 Hiệu suất (Synergy) 13 I.4.5 Tính mở rộng (Scalability) 13 I.4.6 Tính không đồng (Heterogeneity) 13 I.4.7 Tự cấu hình 13 I.4.8 Tự tối ưu tự thích nghi 13 I.4.9 Thiết kế có hệ thống 14 I.5 Ứng dụng mạng WSN 14 CHƯƠNG II 15 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15 II.1 Giới thiệu 15 II.2 Thách thức vấn đề định tuyến 16 II.2.1 Tính động mạng 16 II.2.2 Sự triển khai node 16 II.2.3 Tính đến lượng 16 II.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 17 II.2.5 Khả node 17 II.2.6 Tập trung / hợp liệu 18 II.3 Phân loại so sánh giao thức định tuyến WSN 18 II.4 Các loại giao thức định tuyến 21 II.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu (data centric protocols) 21 II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 26 II.4.3 Giao thức dựa vị trí (Location-based protocols) 27 CHƯƠNG III 31 MÔ PHỎNG GIAO THỨC AODV BẰNG NS2 31 IV.1 Giới thiệu NS2 31 Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc IV.1.1 Kiến trúc NS2 31 IV.1.2 Các đặc điểm NS2 33 IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 33 IV.2.1 NAM 33 IV.2.2 NSCRIPT 34 IV.2.3 XGRAPH 34 IV.2.4 TRACEGRAPH 35 IV.3 Mô WSN NS2 35 IV.3.1 Giả thiết 35 IV.3.2 Thực mô cho giao thức: AODV 35 LỜI KẾT 36 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực: điều khiển trình công nghiệp, bảo mật giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe… Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Hình 1.1: Biểu tượng mạng mô hình Mạng cảm biến không dây WSN mạng liên kết node với nhờ sóng radio Nhưng đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Các node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, phân bố hệ thống phạm vi rộng, sử dụng nguồn lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, mạng phạm vi nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng qua mạng khác hỗ trợ internet không dây Mạng cellular đích đến người sử dụng với tính di động cao Tốc độ liệu cho tính di động mức bị giới hạn dịch tần Doppler Mặt khác, WLAN có tốc độ liệu cao Bluetooth Home RF đích đến nhà Tốc độ liệu mong muốn có dải radio thấp ngắn nhiều, tính di động thấp WSN khác với mạng Nó có số lượng lớn node Khoảng cách node neighbor ngắn so với mạng Do WSN hoàn toàn node, chi phí cho node Mức tiêu thụ lượng thấp nhiều, việc thay pin node chí tháng lần vất vả Tốc độ liệu tính di động WSN thấp Các nhà nghiên cứu Berkeley phát triển thiết bị mạng cảm nhận không dây, gọi hạt bụi “motes”, tạo thành cách công khai, sẵn sàng để thương mại hóa, với TinyOS hệ điều hành kết nối nhúng để dễ dàng sử dụng thiết bị Hình minh họa thiết bị “mote”của Berkeley Sự tiện ích thiết bị chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho thí nghiệm triển khai thực tế mang lại vai trò đầy đủ cách mạng vàng mạng cảm nhận không dây Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Hình 1.2: Thiết bị “mote” Berkeley I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc node mạng WSN Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo phát triển nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút phải thỏa mãn số yêu cầu định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu lượng, có thiết bị cảm biến xác cảm nhận, thu thập thông số môi trường, có khả tính toán có nhớ đủ để lưu trữ, phải có khả thu phát sóng để truyền thông với nút lân cận Mỗi nút cảm ứng cấu thành thành phần bản, hình 3, cảm nhận (sensing unit), xử lý (a processing unit), thu phát (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngoài có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Hình 1.3: Các thành phần nút cảm ứng Các phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo sensor chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Bộ xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Chúng gửi nhận liệu thu từ nút lân cận tới nút khác tới sink Phần quan trọng nút mạng cảm ứng nguồn Bộ nguồn số loại pin Để nút có thời gian sống lâu nguồn quan trọng, phải có khả nạp điện từ môi trường lượng ánh sáng mặt trời Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm ứng mạng yêu cầu có độ xác cao vị trí Vì cần phải có định vị Các phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển nút cảm ứng cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định cảm biến theo dõi chuyển động vật Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngoài kích cỡ nút cảm ứng số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ lượng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích ứng với môi trường I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây kĩ thuật chính, giao tiếp trực tiếp hai nút có nhiều hạn chế khoảng cách hay vật cản Đặc biệt nút phát nút thu cách xa cần công suất phát lớn.Vì cần nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop Hoạt động hiệu lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng, hoạt động hiệu lượng kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình thông số tự động Chẳng hạn nút xác định vị trí địa lý thông qua nút khác (gọi tự định vị) Xử lý mạng tập trung liệu: Trong số ứng dụng nút cảm biến không thu thập đủ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thu thập đủ liệu, mà nút thu liệu gửi đến sink tốn băng thông lượng Cần phải kết hợp liệu nhiều nút vùng gửi tới sink tiết kiệm băng thông lượng Do , cấu trúc mạng sẽ:  Kết hợp vấn đề lượng khả định tuyến  Tích hợp liệu giao thức mạng  Truyền lượng hiệu qua phương tiện không dây  Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm ứng phân bố sensor field hình 1.4 Mỗi nút cảm ứng có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Dữ liệu định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet vệ tinh Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN Trong mạng cảm ứng, liệu sau thu thập nút định tuyến gửi đến sink Sink gửi liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc hay vệ tinh Kiến trúc giao thức sử dụng nút gốc nút cảm biến (hình 1.5) Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức kết hợp công suất chọn đường, kết hợp số liệu với giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu với môi trường vô tuyến tương tác nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ  Lớp ứng dụng :Tùy vào nhiệm vụ mạng cảm biến mà phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá liệu định nhiệm vụ cho sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối liệu truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination)  Lớp truyền tải: giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) giao thức gói ngừời dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet vệ tinh Còn giao tiếp sink nút cảm biến cần giao thức kiểu UDP nút cảm biến bị hạn chế nhớ Hơn giao thức phải tính đến tiêu thụ công suất, tính mở rộng định tuyến tập trung liệu Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 10 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Type = temperature kiểu liệu cảm biến Valus = 38.3 giá trị nhiệt độ đọc Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g thời điểm đọc) Location = [30,38] báo cáo từ cảm biến vùng x,y Hoạt động Directed Dissfusion ( hình 2.5)  Sink gởi quảng bá tin interest theo chu kỳ cho nút lân cận Bản tin truyền qua tất nút mạng quan tâm đến liệu Mục đích việc thăm dò để xem xét xem có nút cảm biến tìm kiếm liệu tương ứng với interest Tất nút trì interest cache để lưu trữ interest entry khác  Mỗi mục (entry) interest cache lưu trữ interest khác Các entry cache lưu trữ số trường sau: nhãn thời gian (timestamp), nhiều trường gradient cho nút lân cận và trường duration Nhãn thời gian lưu trữ nhãn thời gian interest nhận sau Mỗi gradient lưu trữ tốc độ liệu chiều mà liệu gửi Trường duration xác định khoảng thời gian tồn interest Một gradient coi liên kết phản hồi nút lân cận mà nhận tin interest Việc truyền tin interest toàn mạng với việc thiết lập gradient nút cho phép việc tìm thiết lập đường dẫn sink để đưa yêu cầu liệu quan tâm nút mà đáp ứng mối quan tâm  Khi nút phát kiện tìm kiếm cache xem có interest phù hợp không, có tính toán tốc độ kiện cao cho tất gradient lối Sau thiết lập phân hệ cảm biến để lấy mẫu kiện mức tốc độ cao Các nút gửi miêu tả kiện cho nút lân cận có gradient Các nút lân cận nhận liệu kiểm tra cache xem có entry phù hợp không, không loại bỏ liệu phù hợp nhận liệu nút này, thêm tin vào cache liệu sau gửi tin liệu cho nút lân cận Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 24 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Hình 2.5: Hoạt động Directed Diffusion  Khi nhận interest nút tìm kiếm interest cache xem có entry phù hợp không, không nút tạo cache entry Các nút sử dụng thông tin chứa interest để tạo thông số interest entry Các entry tập hợp chứa trường gradient với tốc độ chiều tương ứng với nút lân cận mà interest nhận Nếu interest nhận có cache nút cập nhật nhãn thời gian trường duration cho phù hợp với entry Một trường gradient remove khỏi entry hạn Trong pha thiết lập gradient sink thiết lập tập hợp đường dẫn Sink sử dụng đường dẫn với kiện chất lượng cao để làm tăng tốc độ liệu Điều đạt thông qua đường dẫn hỗ trợ xử lý (path reinforcement process) Các sink sử dụng hỗ trợ số nút lân cận Để làm điều sink gửi lại tin interest nguồn tốc độ cao thông qua đường dẫn chọn, nhờ việc tăng cường nút nguồn đường dẫn để gửi liệu thường xuyên Directed disffusion có ưu điểm đường dẫn sink nút bị lỗi, đường dẫn có tốc độ liệu thấp thay Kỹ thuật định tuyến ổn định phạm vi mạng động Loại giao thức định tuyến tiết kiệm lượng đáng kể Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 25 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc II.4.1.3 Định tuyến tải cân lượng (Load-balanced Energy aware routing) Mức lượng cộng thêm vào load balancing cần thiết mạng tĩnh, kỉ thuật chuyển xác suất cost-based sau sử dụng Những node chuyển tiếp gói tin đến neighbor (các node lân cận), bị đóng đến đích Đặt cost từ đích đến node i xem thích hợp neighbor j định rõ là: Ci,j =Cj + ci.j Cj : cost mong chờ tối thiểu từ đích đến j a −b c ci,j : kết nối link metric (vd: Ti , j Ri Ei mectric thỏa thuận trên) Cho neighbor j, thiết lập neighbor (N i) xem thích hợp, node gán với xác suất chuyển tiếp, số hạng (proportianal) từ cost đến đích Node i tính toán cost mong đợi nhỏ đến đích cho thân Mỗi lần node cần định tuyến gói tin , chuyển tiếp đến neighbor mà có xác suất tương ứng Điều cung cấp cho load balancing, ngăn chặn đường dẫn đơn làm cạn kiệt lượng nhanh II.4.2 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) Mục đích định tuyến phân cấp để trì hiệu việc tiêu thụ lượng nút cảm ứng việc đặt chúng giao tiếp multihop cụm cụ thể việc thực tập trung hợp liệu để giảm số tin truyền đến sink Sự hình thành cụm chủ yếu dựa lượng dự trữ sensor vùng lân cận sensor so với nút chủ cụm LEACH số cách tiếp cận định tuyến phân cấp cho mạng cảm ứng Ý tưởng LEACH động lực cho nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 26 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc II.4.3 Giao thức dựa vị trí (Location-based protocols) Hầu hết giao thức định tuyến cho mạng cảm ứng yêu cầu thông tin vị trí nút cảm ứng, để tính toán khoảng cách hai nút xác định, từ ước lượng lượng cần thiết Vì mạng cảm ứng chế độ địa địa IP chúng triển khai không gian vùng đó, thông tin vị trí cần phải sử dụng liệu định tuyến theo cách hiệu mặt lượng II.4.3.1 GAF (Geographic adaptive fidelity) GAF dự trữ lượng cách tắt nút không cần thiết mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ xác định tuyến Nó tạo lưới ảo cho vùng bao phủ Mỗi nút dùng hệ thống định vị toàn cầu (GPS - Global Poisitioning System) nó, xác định vị trí để kết hợp với điểm lưới gọi tương đương tính đến việc định tuyến gói, để giữ nút định vị vùng lưới xác định trạng thái nghỉ để tiết kiệm lượng Vì GAF tăng đáng kể thời gian sống mạng cảm ứng mà số lượng nút tăng lên Ví dụ đưa hình 2.7, nút truyền đến nút số nút 2, và nút 2, 3, truyền tới nút Do nút 2, 3, tương đương số nút trạng thái nghỉ Hình 2.7: Ví dụ lưới ảo GAF Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động tải cân Có ba trạng thái định nghĩa GAF, phát (discovery) để xác định nút lân cận lưới, hoạt động (active) thể tham gia vào Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 27 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc trình định tuyến nghỉ (sleep) sóng tắt Sự chuyển trạng thái GAF (hình 2.8) Để điều khiển độ di động, nút lưới ước đoán thời gian rời khỏi lưới gửi thông tin đến nút lân cận Các nút không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ chúng cho phù hợp để nhận thông tin từ nút lân cận, để định tuyến xác Trước thời gian rời khỏi lưới nút hoạt động hạn, nút nghỉ thoát khỏi trạng thái số nút hoạt động trở lại GAF triển khai cho mạng bao gồm nút không di động (GAF bản) mạng bao gồm nút di động (GAF thích ứng di động) GAF giữ mạng hoạt động cách giữ cho nút đại diện chế độ hoạt động vùng lưới ảo Mặc dù GAF giao thức dựa vị trí, coi giao thức phân cấp mà cụm dựa vị trí địa lý Đối với vùng lưới xác định, nút đại điện hoạt động nút chủ để truyền liệu đến nút khác Tuy nhiên nút chủ không thực nhiệm vụ hợp hay tập trung liệu giao thức phân cấp thông thường Hình 2.8: Sự chuyển trạng thái GAF II.4.3.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng nhận biết lượng phương pháp thông báo thông tin địa lý tới nút lân cận Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý có ích hệ thống xác định vị trí, đặc biệt mạng cảm biến Ý tưởng hạn chế số lượng yêu cầu Directed Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 28 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Diffusion cách quan tâm đến vùng xác định gửi yêu cầu tới toàn mạng GEAR cải tiến Directed Diffusion điểm dự trữ nhiều lượng Trong giao thức GEAR, nút giữ estimated cost learned cost trình đến đích qua nút lân cận Estimated cost kết hợp lượng dư khoảng cách đến đích Learned cost cải tiến estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh hốc mạng Hốc xảy mà nút nút lân cận gần so với vùng đích Trong trường hợp hốc estimated cost với learned cost Learned cost truyền ngược lại hop lần gói đến đích làm cho việc thiết lập đường cho gói điều chỉnh Có giai đoạn giải thuật này:http://www.ebook.edu.vn  Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa nhận biết lượng vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích Có trường hợp cần quan tâm:  Khi tồn nhiều nút lân cận gần so với đích: GEAR chọn hop số tất nút lân cận gần đích  Khi mà tất nút xa hơn: trường hợp có lỗ hổng.GEAR chọn hop mà làm tối thiểu giá chi phí nút lân cận Trong trường hợp này, số nút lân cận chọn để chuyển tiếp gói dựa learned cost Lựa chọn cập nhật sau theo hội tụ learned cost suốt trình truyền gói  Chuyển tiếp gói vùng: Nếu gói chuyển đến vùng, truyền liệu vùng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy Ở mạng có mật độ sensor cao, người ta chia thành vùng nhỏ tạo copy gói Quá trình chuyển tiếp chia nhỏ tiếp tục vùng nút (hình 2.9) Để thỏa mãn điều kiện dùng giải thuật chuyển tiếp địa lý đệ qui để truyền gói vùng Tuy nhiên, với vùng mật độ thấp, chuyển tiếp địa lý Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 29 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc đệ quy không hoàn thành, định tuyến vô tác dụng vùng đích rỗng trước số hop gói qua vượt giới hạn Hình 2.9: Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 30 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc CHƯƠNG III MÔ PHỎNG GIAO THỨC AODV BẰNG NS2 Chương giới thiệu công cụ NS2 để mô giao thức OADV, giả thiết đầu vào ban đầu cuối dựa kết đồ thị ta tiến hành đánh giá kết luận IV.1 Giới thiệu NS2 NS (phiên 2) phần mềm mô mạng điều khiển kiện riêng rẽ hướng đối tượng, phát triển UC Berkely, viết ngôn ngữ C++ OTcl Nó thực thi giao thức mạng giao thức điều khiển truyền tải (TCP) giao thức gói người dùng (UDP); dịch vụ nguồn lưu lượng Giao thức truyền tập tin (FTP), Telnet, Web, Tốc độ bit cố định (CBR) Tốc độ bit thay đổi (VBR) ; kỹ thuật quản lý hàng đợi Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dò sớm ngẫu nhiễn (RED) CBQ; thuật toán định tuyến Dijkstra… NS thực thi multicasting vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền (MAC) mô LAN IV.1.1 Kiến trúc NS2 Hình 4.1: Tổng quan NS góc độ người dùng • OTcl Script Kịch OTcl • Simulation Program Chương trình Mô phòng • OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng • NS Simulation Library Thư viện Mô NS Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 31 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc • Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện • Network Component Objects Các đối tượng Thành phần Mạng • Network Setup Helping Modules Các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng • Plumbling Modules Các mô đun Plumbling • Simulation Results Các kết Mô • Analysis Phân tích • NAM Network Animator Minh họa Mạng NAM NS biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng, bao gồm lập lịch kiện, đối tượng thành phần mạng modul trợ giúp thiết lập Mạng (hay mô đun Plumbing) Để sử dụng NS-2, user lập trình ngôn ngữ kịch OTcl User thêm mã nguồn Otcl vào NS-2 cách viết lớp đối tượng OTcl Những lớp biên dịch với mã nguồn gốc Thuật ngữ plumbing dùng để xây dựng đường liệu đối tượng mạng cách thiết lập trỏ “neighbour” cho đối tượng để đến địa đối tượng tương ứng Mô đun plumbing OTcl thực tế thực việc đơn giản Thành phần mạng lập lịch kiện, lập lịch kiện NS-2 thực việc sau:  Tổ chức định thời mô  Huỷ kiện hàng đợi kiện  Gọi lại thành phần mạng mô Phụ thuộc vào mục đích user kịch mô OTcl mà kết mô lưu trữ file trace Định dạng file trace tải vào ứng dụng khác để thực phân tích: • File nam trace (file.nam) dùng cho công cụ Minh họa mạng NAM • File Trace (file.tr) dùng cho công cụ Lần vết Giám sát Mô XGRAPH hay TRACEGRAPH Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 32 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc Hình 4.2: Luồng kiện cho file Tcl chạy NS • NAM Visual Simulation Mô ảo NAM • Tracing and Monitoring Simulation Mô Lần vết Giám sát IV.1.2 Các đặc điểm NS2 NS-2 thực thi tính sau: • Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router DropTail, RED, CBQ, • Multicasting • Mô mạng không dây  Được phát triển Sun Microsystems + UC Berkeley (Dự án Daedalus)  Thuộc mặt đất (di động, adhoc, GPRS, WLAN, BLUETOOTH), vệ tinh  Chuẩn IEEE 802.11 mô phỏng, giao thức Mobile-IP adhoc DSR, TORA, DSDV AODV • Hành vi nguồn traffic – www, CBR, VBR • Các agent truyền tải – UDP, TCP • Định tuyến • Luồng packet • Mô hình mạng • Các ứng dụng – Telnet, FTP, Ping • Các packet tracing tất link link xác định IV.2 Các phần mềm dùng kết hợp với NS2 IV.2.1 NAM NAM thực lại kiện từ file lần vết nam (nam tracefile).Có thể tóm tắt tính NAM sau: Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 33 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc • Cung cấp trình diễn ảo cho mạng tạo • Có thể thi hành trực tiếp từ kịch Tcl • NAM có giao diện đồ hoạ bắt mắt CD player với điều khiển bao gồm play (chạy), stop (ngưng), fast forward (chạy tiếp nhanh), rw (lùi lại), pause (tạm ngưng), điều khiển tốc độ trình diễn tính giám sát packet • Biểu diễn thông tin throughput (thông lượng), số packet link • Cung cấp giao diện rê thả cho việc tạo topology (mô hình) IV.2.2 NSCRIPT Nscript giao diện đồ hoạ người dùng để tạo kịch mô phỏng, phát triển ngôn ngữ Java Với Nscript ta có thể: • Tạo topology cấu hình node, link • Thêm cấu hình transport agent (agent truyền tải), UDP, TCP… • Lập lịch kiện mô • Các biến lần vết Nscript mở rộng được, cho phép tạo thư viện riêng (thư viện đối tượng) để dùng thêm đối tượng vào môi trường đồ họa IV.2.3 XGRAPH Xgraph công cụ đính kèm gói sử dụng để đọc file Trace NS2 Câu lệnh cấu trúc Xgraph đơn giản, hiệu dễ sử dụng Hình 4.3: Cửa sổ minh họa Xgraph Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 34 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc IV.2.4 TRACEGRAPH TraceGraph phân tích file trace Tracegraph chạy hệ điều hành Windows, Linux, Unix yêu cầu hệ thống có cài đặt Matlab 6.0 (hoặc phiên cao hơn) Tracegraph hỗ trợ định dạng file trace sau:  Wired (có dây) Satellite (vệ tinh) Wireless (không dây) Ứng dụng TRACEGRAPH bao gồm thành phần chính: cửa sổ Tracegraph, cửa sổ Network Information (thông tin mạng) cửa sổ Graphs (đồ thị) IV.3 Mô WSN NS2 IV.3.1 Giả thiết  Thời gian mô phỏng: Max = 360s  Số cluster khởi tạo: Num_cluster =  Năng lượng khởi tạo node J  Số node mạng: 101 (0→99; 100 = BS)  BS đặ t tọa độ (50; 100)  Vị trí node mạng khởi tạo ngẫu nhiên (100;100)  BW = 1Mbps  Data size: 500 Bytes  Freq : 914 MHz IV.3.2 Thực mô cho giao thức: AODV IV.3.2.1 Câu lệnh /ns wireless.tcl –sc nodescen –x 100 –y 10123450 –init_energy –dirname wsn –topo wsn-topo –bs_x 50 –bs_y 150 –stop 600 –nn 101 –num_cluster –eq_energy – filename AODV _file –rp AODV IV.3.2.2 Ý nghĩa mã lệnh  wireless.tcl : file Script tạo môi trường mô Wireless  init_energy : lượng khởi tạo ban đầu  dirname : tên thư mục chứa Trace File  topo : tên topo khởi tạo lúc đầu  bs_x, bs_y : tọa độ BS  stop : thời gian mô AODV Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 35 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc  nn: số node mạng  num_cluster : số cụm dự tính chia  eq_energy : (khởi tạo lượng không nhau), ( khởi tạo lượng nhau)  filename : tên tracefile xuất dỉname  rp (routing protocol) : giao thức mô AODV LỜI KẾT WSN đời kết hợp thành công loạt thành tựu khoa học công nghệ mạng máy tính Hiện nay, ứng dụng nhiều đời sống để mang lại lợi ích tối ưu cho người sử dụng phải tận dụng điểm mạnh riêng biệt mạng cảm ứng, sensor giá thành thấp, tiêu thụ lượng thực đa chức Những sensor có kích cỡ nhỏ, thực chức thu phát liệu giao tiếp với chủ yếu thông qua kênh vô tuyến Dựa sở người ta thiết kế mạng cảm biến, nhằm phát kiện tượng, thu thập truyền liệu cảm biến đến người dùng Tuy nhiên, WSN nhiều vấn đề cần hoàn thiện, đặc biệt vấn đề lượng trì nguồn lượng cho nút cảm biến Các nhà khoa học giới không ngừng nghiên cứu đưa công nghệ để cải thiện tất phân lớp cấu trúc node cảm biến, mà mục đích cuối đưa WSN trở nên gần gũi với sống Trong phạm vi đồ án này, em nghiên cứu nét khái quát mạng cảm biến, mà cụ thể giao thức định tuyến phổ biến Đây đề tài nhiều mẻ rộng lớn, thời gian thực đề tài ngắn nên em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô môn khoa để đồ án em hoàn thiện Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 36 Báo Cáo Tiểu Luận Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc TÀI LIỆU THAM KHẢO Kavin Fall, Kannan Varadhan “The ns Manual” The VINT Project, A Collaboration between researchers at UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC December 13, 2003 http://www.isi.edu/nsnam/ns/ The MIT uAMPS ns Code Extensions Version 1.0 – Massachusetts Institute of Technology – Cambridge MA 02139, uamps@.mit.edu Application Specific Protocol Architectures for Wireless Networks by Wendi Beth Heinzelman http://www.isi.edu/nsnam/nam/ NAM Network Animator W.R Heinzelman, A Chandrakasan, and H Balakrishnan, “ Energy-Efficient Comminication Protocol for Wireless Microsensor Networks ” IEEE Proc Hawaii Int’l Conf Sys Sci., Jan 2000, pp 1-10 http://www.ieee802.org/15/ Jamal N Al-Karaki and Ahmed E Kamal, “Routing Techniques in wireless sensor network: A survey”, IEEE Wireless Communications, December 2004 Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 37 Báo Cáo Tiểu Luận Sinh viên thực: Nhóm 4_D7DTVT2 Gvhd:TS.Lê Anh Ngọc 38 ... CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc node mạng WSN I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN I.4 Các... gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk -WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nên ý lĩnh vực thông tin Hiện nay, người ta tập trung triển khai mạng cảm ứng không dây để... Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop Hoạt động hiệu lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng, hoạt động hiệu lượng kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây