Cân bằng tải trong giao thức định tuyến rpl sử dụng đa hàm mục tiêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG THỊ DIỆU THU CÂN BẰNG TẢI TRONG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL SỬ DỤNG ĐA HÀM MỤC TIÊU LOAD BALANCING IN THE RPL ROUTING PROTOCOL WITH MULTIPLE OBJECTIVE FUNCTIONS Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số: 60520208 60 52 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2017 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Võ Quế Sơn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: TS Hà Hoàng Kha (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS Huỳnh Hữu Thuận (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 06 tháng 01 năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) TS Hà Hoàng Kha TS Huỳnh Hữu Thuận TS Đỗ Hồng Tuấn TS Huỳnh Phú Minh Cường TS Mai Linh Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG THỊ DIỆU THU MSHV: 7140996 Ngày, tháng, năm sinh: 19/07/1991 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Mã số : 60520208 I TÊN ĐỀ TÀI: “Cân tải giao thức định tuyến RPL sử dụng đa hàm mục tiêu - Load balancing in the RPL routing protocol with multiple objective functions.” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá khả cân tải thông qua thông số lượng tiêu thụ, tỷ lệ truyền gói độ trễ mơ hình chạy giao thức RPL sử dụng hàm mục tiêu : ETX, OF0 ETX-OF0 III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài): 04/07/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo QĐ giao đề tài) : 06/01/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Võ Quế Sơn Tp HCM, ngày 06 tháng 01 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Võ Quế Sơn, môn Viễn thông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Giảng viên trực tiếp hướng đẫn thực đề tài Với kinh nghiệm hiểu biết, thầy tận tình dẫn giúp đỡ giải đáp thắc mắc tơi suốt q trình thực đề cương Xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tập thể giảng viên trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, thầy truyền cho nguồn tri thức quý báo suốt trình học tập trường iv TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong mạng cảm biến không dây, định tuyến yếu tố quan trọng ảnh huởng đến kết nối thực trao đổi thông tin Hiệu hoạt động chung mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào lựa chọn giao thức định tuyến chất lượng thực RPL giao thức định tuyến distancevector thiết kế ROLL Working Group để phục vụ cho nhu cầu cụ thể mạng tổn hao công suất thấp (LLNs) Giao thức định tuyến RPL cần phải tối ưu hóa cho ứng dụng sensornet khác để đạt hiệu suất tối ưu sử dụng nguồn lực hiệu Trong q trình truyền gói tin dẫn đến tải node, đặc biệt node root Do đó, giải pháp cho việc cân tải RPL cần thiết Vì vậy, tơi thực đề tài “Cân tải giao thức định tuyến RPL sử dụng đa hàm mục tiêu” Trong khuôn khổ luận văn này, tơi tìm hiểu lý thuyết mạng cảm biến không dây WSN, giao thức định tuyến RPL mạng tổn hao lượng thấp (LLNs) Đề tài thực ứng dụng mô cooja hệ điều hành contiki Dựa hàm mục tiêu sử dụng EXT OF0, bị hạn chế chạy cho mơ hình lớn tốc độ gửi cao gây tải làm gói tin, độ trễ cao, lượng tiêu tốn nhiều Tôi tiến hành xây dựng mơ hình sử dụng kết hợp hai hàm mục tiêu ETX OF0 nhằm tạo nhiều root giúp cân tải cho hệ thống Để đánh giá hiệu giải pháp này, dựa thông số tỷ lệ gói gửi thành cơng PRR, độ trễ lượng tiêu thụ thu thập phân tích chạy mơ Sau đó, đem so sánh với kết thu thập mơ hình mạng chạy riêng hàm mục tiêu Từ đưa kết luận đánh giá giải pháp sử dụng nhiều hàm mục tiêu để cân tải giao thức định tuyến RPL v ABSTRACT In wireless sensor networks, routing is a very important factor affecting the connection and make the exchange of information All performance of the wireless sensor network is dependent on the choice of routing protocols and quality of its implementation RPL is a protocol distance-vector routing was designed by ROLL Working Group to support the specific demands of existing network capacity and low consumption (LLNs) RPL routing protocol needs to be optimized for different applications to achieve sensornet optimum performance and use resources more efficiently During transmission of packets will lead to an overload of nodes, especially the root node Therefore, the solution for load balancing in RPL is necessary I have conducted the research and performed the thesis, namely "Load Balancing in RPL routing protocol using multiple objective functions" In this thesis, I will research theory of Wireless Sensor Networks, routing protocol RPL in Low Power and Lossy Network (LLNs) The results will be investigated and simulated on the Application of Cooja Simulator using Contiki OS Based on the objective functions ETX and OF0 were used in in reality; however, when running in large networks with high data rate, it causes the overload which results in high packet loss, high latency, high consuming energy I have combined a model which can utilize both ETX and OF0 objective functions to create multiple root networks which helps to balance the system load To assess the effectiveness of this solution, I investigate the network parameters such as packet reception rate, end-to-end latency and power consumption using the simulation Besides, the model results are also compared with the results obtained when running individual model objective functions The proposed model shows that it has several advantages in comparison with the current use of single objective function vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu thân, xuất phát từ u cầu phát sinh cơng việc để hình thành hướng nghiên cứu Các số liệu có nguồn root rõ ràng tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa cơng bố trước TP Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2017 Tác giả luận văn Đặng Thị Diệu Thu vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DAG DAO DIO DIS DODAG DODODAG ETX ICMP IEEE IETF ID IoT IP LBR LLN MAC MRHOF OF OF0 MOP PRR RDC RFC ROLL RPL RSSI TCP UDGM UDP WSN Directed Acyclic Graph Destination Advertisement Object DODAG Information Object DODAG Information Solicitation Destination Oriented Directed Acyclic Graph Destination-Oriented DODAG Expected Transmission Count Internet Control Message Protocol Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Identifycation Internet of Things Internet Protocol Low Power and Lossy Network Border Router Low Power and Lossy Network Medium Access Control Minimum Rank with Hysteresis Objective Function Objective Function Objective Function Zero Mode of Operation Packet Reception Ratio Radio Duty Cycling Request For Comments Routing Over Low Power and Lossy Network Routing Protocol for LLN Receive Signal Strength Indicator Transmission Control Protocol Unit Disk Graph Model User Datagram Protocol Wireless Sensor Network viii MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT .v LỜI CAM ĐOAN .vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỤC LỤC viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .1 1.1 Đặt vấn đề hướng giải 1.2 Lý chọn đề tài .3 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN WSN 2.1 Khái niệm chung mạng cảm biến không dây .5 2.2 Cấu trúc mạng cảm biến 2.2.1 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây .7 2.2.2 Cấu trúc node cảm biến .9 2.3 Tổng quan IPv6 11 2.3.1 Đặc điểm 11 2.3.2 Phân loại địa IPv6 11 2.3.3 Giao thức 6LoWPAN 15 CHƯƠNG 3: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL 20 3.1 Các metric định tuyến 20 3.2 Hàm mục tiêu 23 3.3 Giao thức định tuyến RPL 25 3.3.1 Tổng quan giao thức 25 3.3.2 Sử dụng nhiều DODAG định nghĩa trường RPL 26 3.3.3 Các bảng tin RPL 27 3.3.4 Khởi tạo mạng 33 3.4 Hàm mục tiêu ETX 38 3.4.1 Hàm mục tiêu MRHOF 39 ix 3.4.2 Sử dụng MRHOF tối đa metric 44 3.4.3 Biến thông số MRHOF 45 3.4.4 Khả quản lý 46 3.5 Hàm mục tiêu OF0 48 3.5.1 Tổng quan 48 3.5.2 Hoạt động OF0 51 3.5.3 Giao diện OF0 54 3.5.4 Tính toán OF0 55 3.5.5 Xem xét khả quản lý 56 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA HÀM MỤC TIÊU 58 4.1 Giải pháp thực 58 4.2 Phương pháp đánh giá 59 4.3 Sử dụng nhiều hàm mục tiêu 59 4.4 Giải thuật định tuyến đa hàm mục tiêu 62 4.4.1 Khởi tạo node server 62 4.4.2 Khởi tạo node client 64 4.4.3 Các node tính rank theo hàm mục tiêu tương ứng 65 4.4.4 Cơ chế điều khiển kiện node client 67 4.4.5 Cơ chế xử lý tin DIO xây dựng DAG 68 4.5 Q trình hoạt động mơ hình dùng hai hàm mục tiêu 70 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 75 5.1 Hệ điều hành contiki ứng dụng mô cooja 75 5.1.1 Hệ điều hành contiki 75 5.1.2 Ứng dụng mô cooja 77 5.2 Cài đặt mạng 79 5.2.1 Các thông số mô 79 5.2.2 Mơ hình mô 82 5.3 Phân tích kết mô 85 5.3.1 So sánh khả cân tải qua tần suất gửi gói tin 85 5.3.2 So sánh khả cân tải qua tỳ lệ gửi nhận gói tin Tx/Rx success 88 5.4 Đánh giá 91 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN 94 ... việc cân tải RPL cần thiết Vì vậy, tơi thực đề tài ? ?Cân tải giao thức định tuyến RPL sử dụng đa hàm mục tiêu? ?? Trong khuôn khổ luận văn này, tơi tìm hiểu lý thuyết mạng cảm biến không dây WSN, giao. .. 11 2.3.3 Giao thức 6LoWPAN 15 CHƯƠNG 3: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL 20 3.1 Các metric định tuyến 20 3.2 Hàm mục tiêu 23 3.3 Giao thức định tuyến RPL ... TÀI: ? ?Cân tải giao thức định tuyến RPL sử dụng đa hàm mục tiêu - Load balancing in the RPL routing protocol with multiple objective functions.” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá khả cân tải thông