Định tuyến trong mạng MANET với môi trường IoT

Bài viết phân tích giải pháp định tuyến cho hệ thống IoT bằng cách sử dụng kết hợp các giao thức MANET và các nguyên tắc định tuyến WSN. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng giải pháp này cung cấp một cách tiếp cận hiệu quả về thông lượng và độ trễ gói tin trong hệ thống MANET ‐ IoT.

https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.06.090 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET VỚI MÔI TRƯỜNG IOT Võ Quốc Lương(1) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận 20/08/2020; Ngày gửi phản biện 22/08/2020; Chấp nhận đăng 28/10/2020 Liên hệ email: luongvq@tdmu.edu.vn https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.06.090 Tóm tắt Internet of Things (IoT) công nghệ tiên tiến cho phép kết nối thiết bị vật lý với giới kỹ thuật số thông qua việc sử dụng mạng không đồng công nghệ truyền thông IoT môi trường thông minh tương tác với mạng cảm biến không dây (WSN) mạng quảng cáo di động (MANET) trở nên hấp dẫn hiệu kinh tế Tương tác cảm biến không dây MANET với IoT cho phép tạo hệ thống MANET - IoT cung cấp cho người dùng tính di động cao giảm chi phí Trong viết này, chúng tơi phân tích giải pháp định tuyến cho hệ thống IoT cách sử dụng kết hợp giao thức MANET nguyên tắc định tuyến WSN Kết mô giải pháp cung cấp cách tiếp cận hiệu thông lượng độ trễ gói tin hệ thống MANET ‐ IoT Từ khóa: MANET-IoT, Wireless Sensor Network, Routing in MANET Abstract ROUTING IN MANET NETWORK WITH IOT ENVIRONMENT Internet of Things (IoT) is an advanced technology that allows to connect devices to the digital world through the use of heterogeneous networks and communication technologies IoT in an intelligent environment interacts with wireless sensor networks (WSN) and mobile ad hoc networks (MANET) becoming attractive and economical Interaction between wireless sensors and MANET with IoT enables the creation of a system MANET - IoT provides users with high functionality and reduced costs In this article, we have parsing the routing solution for the IoT system using a combination of the MANET protocol and the WSN routing principle The simulation results show that this solution provides an efficient approach to the amount of information and packet delay in the MANET - IoT system Giới thiệu IoT điện toán đám mây đại diện cho phần mơ hình internet tương lai (Alameri, Radchenko, 2017) Sự kết nối đối tượng thông minh khả tương tác chúng với truyền thơng tồn cầu đóng vai trị ý tưởng kết hợp hệ thống IoT Trong hệ thống này, vai trị mạng WSN thành phần bao gồm: cảm biến, thu nhận liệu, kết nối không đồng xử lý liệu MANET 14 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 6(49)-2020 mạng không dây đặc biệt (Kumar, Kumar, 2013), nút MANET hoạt động định tuyến hệ thống đầu cuối mạng có liên quan chặt chẽ với WSN Sự tương tác MANET IoT mở hướng để cung cấp dịch vụ môi trường thông minh vấn đề thách thức khía cạnh mạng Một yếu tố quan trọng hệ thống MANET ‐ IoT cân lượng nút, hệ thống IoT chủ yếu dựa nhiều cảm biến không dây khác lựa chọn từ giao thức MANET tập trung vào tuyến hiệu ngắn Việc sử dụng hợp lý lượng cảm biến chìa khóa quan trọng việc trì kết nối mạng mạng khơng dây multihop Do đó, nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế giao thức định tuyến hiệu lượng, kéo dài tuổi thọ mạng Các giao thức mạng không dây sử dụng trực tiếp hạn chế tài nguyên nút cảm biến, tốc độ tính tốn giao diện người với thiết bị nút mật độ nút mạng Do đó, cần có giải pháp tổng hợp để định tuyến qua mạng MANET – IoT, sử dụng lượng dư nút cách hiệu kéo dài tuổi thọ mạng Kamel, Alameri, Onaizah (2017) Tian, Hou (2010) việc sử dụng giao thức định tuyến thông thường cho mạng dẫn đến số vấn đề: – Tiêu tốn băng thông mạng lượng nguồn nuôi cho cập nhật định kỳ: Hầu hết thiết bị di động mạng Ad Hoc hoạt động dựa nguồn pin, việc truyền nhận gói tin tiêu tốn đáng kể đến nguồn lượng Ở mạng thông thường, việc kết nối định tuyến nhìn chung khơng thay đổi vị trí, xảy việc thay đổi cấu hình tơpơ mạng nên việc hội tụ mạng xảy ra.Tuy nhiên, mạng Ad Hoc, nút thay đổi vị trí dẫn đến cấu hình tơpơ mạng thay đổi, nên địi hỏi cần phải có hội tụ mạng cho tuyến cách nhanh chóng Để thực việc này, giao thức định tuyến phải liên tục gửi cập nhật định tuyến, dẫn đến việc tiêu tốn nhiều băng thông lượng – Các đường dư thừa tích lũy cách khơng cần thiết: Trong mơi trường mạng Ad Hoc, có nhiều đường từ nút nguồn đến nút đích đường cập nhật tự động vào bảng định tuyến thiết bị định tuyến (thiết bị di động), dẫn đến việc dư thừa đường bảng định tuyến Hậu làm cho việc lựa chọn đường thiết bị khó khăn làm tăng độ trễ gói tin Vì cần phải có giao thức định tuyến để giải vấn đề phát sinh mạng Trong viết này, đưa hai giao thức định tuyến mạng MANET cài đặt mô để đánh giá hiệu hai giao thức chúng áp dụng vào môi trường IoT Mạng MANET môi trường IoT 2.1 Manet Mạng MANET mạng bao gồm thiết bị di động vô tuyến kết nối ngang hàng với hình thành nên mạng tạm thời mà không cần trợ giúp thiết bị trung tâm sở hạ tầng mạng cố định Các thiết bị di động có khả 15 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.06.090 truyền thông trực tiếp với thông qua nút trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp mơi trường khơng dây Các nút mạng vừa đóng vai trị thiết bị truyền thơng vừa đóng vai trị thiết bị định tuyến Với nguyên tắc hoạt động vậy, khơng bị phụ thuộc vào sở hạ tầng mạng cố định nên có tính linh động cao, đơn giản việc lắp đặt, chi phí triển khai bảo trì thấp Việc triển khai mơ hình mạng dạng MANET khơng u cầu có thiết bị trung tâm, mơ hình thích hợp khu vực ây dựng sở hạ tầng mạng Hình Minh họa mạng di động tùy biến Có sáu đặc điểm MANET (Kumar, Kumar, 2013): cấu trúc liên kết động, hoạt động phân tán, thiết bị đầu cuối nhẹ, định tuyến nhiều bước nhảy, thiết bị đầu cuối vật lý tự trị dùng chung Các giao thức MANET định tuyến phân loại thành ba loại chung: 1) Định tuyến dựa cấu trúc liên kết: Các loại định tuyến là: (a) giao thức định tuyến chủ động, (b) giao thức định tuyến phản ứng, (c) giao thức định tuyến lai kết hợp giao thức phản ứng chủ động (Arun Kumar, Lokanatha Reddy, Prakash Hiremath, 2008) 2) Định tuyến dựa vị trí: Để đưa định định tuyến, vị trí thực tế nút sử dụng định tuyến dựa vị trí khu vực Ví dụ: cách sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS), thơng tin vị trí lấy Giao thức định tuyến hỗ trợ vị trí (LAR) (Young-Bae Ko and Nitin Vaidya, 2000) ví dụ định tuyến dựa vị trí 3) Định tuyến dựa nhận thức lượng: Mỗi nút mạng hỗ trợ nhiều mục bảng định tuyến Để chọn tuyến tối ưu, đánh giá mức lượng nút mạng có sẵn Trong trường hợp này, bảng định tuyến tương ứng với mức lượng nút trì cách chuyển thơng báo có liên quan Số lượng nút truy cập ác định số lượng mục bảng định tuyến nút cách sử dụng mức lượng 2.2 Internet of Things IoT nhanh chóng phát triển xã hội nơi thứ kết nối (Vermesan, Friess, 2013) Tuy nhiên, chuyển đổi sâu rộng bắt đầu 16 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 6(49)-2020 theo dự đoán số lượng thiết bị kết nối với dự kiến tăng 21% năm tăng thêm 18 tỷ thiết bị kết nối khoản thời gian 2016 đến 2022 IoT phát triển hệ sinh thái, thết bị hệ có khả khác nhau; tự tạo kết nối với nhau, điều khiển Công nghệ IoT cho phép điều khiển khoảng cách xa loại xe tải, xe lửa, máy bay, xe tự hành… Ngoài người ta cịn dùng IoT giám sát, kiểm sốt điều hành nơi công nghiệp quan trọng 2.3 Sự tương tác IoT MANET Khả ứng dụng rộng rãi hệ thống IoT lĩnh vực khác phụ thuộc trực tiếp vào hội khả tương tác công nghệ truyền thông mạng khác môi trường thông minh (Bellavista, Cardone, Corradi, Foschini, 2013) Sự tăng trưởng số lượng cảm biến dẫn đến nhu cầu ngày tăng người để giám sát trình khác từ a Và điều trở nên khả thi nhờ việc triển khai rộng rãi mạng WSN Về bản, WSN mạng bao gồm cảm biến khác có khả tự động đọc thơng tin từ thiết bị khác, để xử lý liệu, tạm thời lưu trữ chuyển chúng sang nút mạng khác Vì WSN mạng tập trung, nên liệu thu nhận truyền tới cảm biến khác truyền đến nút trung tâm Theo cách này, cảm biến khơng dây giao tiếp với mở hội sử dụng rộng mạng cảm biến không dây hệ thống IoT Chính mở rộng hệ thống IoT nên dẫn tới việc liên lạc nút mạng tốn nhiều băng thông tạo độ trễ lớn đường truyền Các phương thức định tuyến quan trọng đầy thách thức WSN liệu phải truyền cảm biến khác cảm biến chết loại bỏ khỏi đường dẫn định tuyến Các giải pháp cho giao thức định tuyến mạng MANET cải tiến để đáp ứng yêu cầu IoT trình bày (Tian, Hou, 2010) Kết nối mạng MANET - IoT dựa giao thức định tuyến MANET Việc kết nối thiết bị khác tương tác với mạng quảng cáo không dây phải đảm bảo khả kết nối, khả truy cập độ tin cậy hệ thống MANET ‐ IoT c gi o t c ịnh tuyến mạng MANET với mơi trường IoT Trong mạng có dây có giải thuật định tuyến sử dụng định tuyến theo trạng thái liên kết định tuyến theo vector khoảng cách truyền thống khiến khó mở rộng mạng MANET lớn gây tiêu tốn phần đáng kể băng thông, làm tăng việc cạnh tranh băng truyền, nút phải sử dụng nhiều lượng Để khắc phục vấn đề liên quan đến hai giải thuật số giao thức mạng MANET đưa (Arun Kumar, Lokanatha Reddy, Prakash Hiremath, 2008) Chúng thử nghiệm mạng MANET với mơi trường IoT, thiết bị mơ môi trường IoT vừa di động vừa cố định Hai giao thức sử dụng để mô đánh giá Dynamic Source Routing (DSR) Manet-IoT Routing (MIR) Giao thức DSR: Là giao thức định tuyến phản ứng sử dụng chế định tuyến nguồn, nghĩa bên gửi biết tồn thơng tin đường đến đích Phần Header 17 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.06.090 gói liệu lưu trữ thứ tự nút mà gói tin cần phải qua để đạt tới đích Do vậy, nút trung gian cần giữ liên lạc với nút hàng xóm để chuyển tiếp gói tin Tại nút mạng ln trì nhớ đệm, cấu trúc liệu lưu trữ đường biết Khi có đường tồn nhớ đệm, gói tin nhận thơng tin đường thực việc truyền tin đường chọn Ngược lại, không tồn đường nhớ đệm có tồn đường khơng cịn hiệu lực, DSR thực chế phát đường cách gởi gói tin quảng bá đến nút lân cận toàn mạng Các nút trung gian nhận gói tin quảng bá kiểm tra đường nhớ đếm Khi đường tìm thấy, gói tin phản hồi chứa thứ tự chặng tới đích truyền trở lại nguồn Hoạt động giao thức DSR bao gồm hai chế chính: chế tạo thơng tin định tuyến chế trì thơng tin định tuyến (Arun Kumar, Lokanatha Reddy, Prakash Hiremath, 2008) Giao thức MIR (Alameri, 2018): Giao thức đề xuất sử dụng giám sát động học, điều khiển lượng đầu cụm giá trị ngưỡng ác định trước Mục đích chế giám sát chuyển đầu cụm dựa kết so sánh giá trị ngưỡng lượng đầu cụm Hình Cơ chế định tuyến MIR Giao thức có ba giai đoạn: thiết lập, ổn định ngưỡng Bước lựa chọn đầu cụm Tất đầu cụm chọn gửi thông điệp quảng cáo đến tất nút đầu cụm sau lựa chọn đầu cụm Các nút đầu cụm 18 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 6(49)-2020 chọn đầu cụm chúng cho vòng dựa cường độ tín hiệu nhận thơng báo quảng cáo gửi lại thông báo yêu cầu đến nút đầu cụm chọn để thông báo tư cách thành viên chúng dẫn đến việc hình thành cụm Thông báo gửi đến đầu cụm bao gồm ID vị trí nút gửi Khi tất nút triển khai, mạng bắt đầu chọn đầu cụm thực phân cụm Sau đó, nút đầu cụm theo định thu thập liệu truyền chúng đến nút khác cụm Với thay đổi thời gian, cấu trúc topo mạng thay đổi Nếu lượng đầu cụm thấp giá trị ngưỡng ác định trước, vịng lặp thứ ba áp dụng để thay đầu cụm nút khác, tạo lượng lớn cụm Đầu cụm tiếp tục hợp tác với thành viên cụm Cơ chế bảo vệ đầu cụm khỏi bị chết nhanh chóng kéo dài tuổi thọ mạng Khi có tất thơng tin mạng nút, nghĩa chọn phương pháp định tuyến cho thông tin truyền Để đánh giá tuổi thọ mạng, ba phương pháp lựa chọn đường dẫn tuyến sử dụng: NP (vị trí nút), NBT (trạng thái pin nút) ER (tài nguyên lượng) NP nhằm mục đích tìm tuyến đường với số bước nhảy tối thiểu để tìm kiếm nút Đầu cụm đánh giá tất nút lân cận cụm Nếu thơng tin khơng thỏa mãn tiêu chí bắt buộc, đầu cụm gửi tin nhắn đến đầu cụm láng giềng để giúp tìm đường đến đích NBT chọn nút có trạng thái pin cao ER giá trị thêm vào để theo dõi lượng nút Đ n gi iệu giao th c DSR MIR Việc cài đặt mô thực phần mềm NS2 với mơ hình giả lập Hình Chúng tơi thử nghiệm giao thức DSR MIR cách sử dụng số lượng cảm biến sống ban đầu N = 15, cảm biến có phạm vi d = 8m Kết mô sử dụng để tiến hành phân tích đánh giá hiệu hai giao thức cách so sánh kết dựa số độ đo hiệu như: thơng lượng, độ trễ trung bình Hình Mơ hình mơ hệ thống MANET-IoT Thơng lượng: Là số lượng gói tin nhận đơn vị thời gian tính cơng thức: 19 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.06.090 Từ kết thể hình cho thấy thông lượng đạt tối đa khoảng thời gian từ 200(s) trở Khoảng thời gian trước từ đến 150(s) thơng lượng tăng dần thời điểm bắt đầu trình truyền tin nên số lượng gói tin đường truyền Thơng lượng giao thức MIR tốt giao thức DSR MIR giao thức định tuyến theo kiểu phân cụm sử dụng nút đầu cụm nên số lượng gói tin điều khiển so với giao thức DSR, thơng lượng cao MIR đạt khoảng 61600 (kbps), thơng lượng tối đa DSR đạt khoảng 51500 (kbps) Hình Biểu đồ thơng lượng theo thời gian Độ trễ: Độ trễ trung bình từ cuối – cuối thời gian trung bình gói liệu truyền thành công thông qua mạng từ nguồn tới đích Nó bao gồm độ trễ đệm chờ q trình dị tìm đường, độ trễ hàng đợi, độ trễ trình truyền, thời gian chuyển giao Độ trễ trung bình tính cơng thức (Snehal Goverdhan, Aakanksha Choubey, 2015): Hình cho thấy độ trễ trung bình gói tin giao thức DSR lớn so với độ trễ gói tin giao thức MIR Do MIR giao thức hoạt động theo chế nút đầu cụm nút đầu cụm thực q trình truyền tin nên độ trễ thấp Hình Biểu đồ độ trễ trung bình gói tin theo thời gian 20 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 6(49)-2020 Kết luận Mạng MANET thách thức nhà nghiên cứu việc tìm giao thức mạng, chu n mạng với mục đích cuối c ng đạt hệ thống mạng ổn định hiệu suất khai thác cao dịch vụ truyền thông đa phương tiện Trong viết này, triển mạng MANET môi trường IoT với việc sử dụng giao thức định tuyến phù hợp nhằm tăng thông lượng giảm độ trễ hệ thống Với kết đạt được, giao thức MIR có thơng lượng đạt cao độ trễ trung bình thấp so với giao thức DSR Dựa phân tích số liệu cho thấy DSR phù hợp với mạng có số lượng nút lớn hình trạng mạng động Trong đó, MIR phù hợp với mạng có số lượng nút ít, tốc độ nút di chuyển chậm độ trễ thấp nên phù hợp cho ứng dụng thời gian thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I A Alameri, G Radchenko (2017) “Development of Student Information Management System based on Cloud Computing Platform” Journal of Applied Computer Science and Mathematics, Vol 11, No 2, 4-19 [2] M B M Kamel, I Alameri, A N Onaizah (2017) “STAODV: A Secure and Trust based Approach to Mitigate Blackhole Attack on AODV based MANET” IEEE 2nd Advanced Information Technology, Electronic and Automation Control Conference, 1278-1282 [3] S Kumar, S Kumar (2013) “Study of MANET: Characteristics, Challenges, Application and Security Attacks” International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, Vol 3, No 5, 252-257 [4] O Vermesan, P Friess (2013) Internet of Things: Converging Technologies for Smart Environments and Integrated Ecosystems River Publishers [5] P Bellavista, G Cardone, A Corradi, L Foschini (2013) “Convergence of MANET and WSN in IoT Urban Scenarios” IEEE Sensors Journal, Vol 13, No 10, 3558-3567 [6] M Rath, U P Rout (2015) “Analysis and Study of Security Aspect and Application Related Issues at the junction of MANET and IoT” International Journal of Research in Engineering and Technology, Vol 4, No 13, 426-430 [7] Y Tian, R Hou (2010) “An Improved AOMDV Routing Protocol for Internet of Things” International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering, 10-12 [8] Arun Kumar B R, Lokanatha C Reddy, Prakash S Hiremath (2008) “Performance Comparison of Wireless Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols” International Journal of Computer Science and Network Security, Vol 8, No [9] Young-Bae Ko and Nitin H Vaidya (2000) Location-Aided Routing (LAR) in mobile ad hoc networks Wireless Networks, 6, 307-321 [10] Snehal Goverdhan, Aakanksha Choubey (2015) “Comparative Analysis and Implementation of DSDV and AODV Routing Protocol for MANET” International Journal of Computer Techniques, Vol 2, 90-98 [11] I A Alameri (2018) “MANETS and Internet of Things: The Development of a Data Routing Algorithm” Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol 8, No 1, 2604-2608 21 ... độ tin cậy hệ thống MANET ‐ IoT c gi o t c ịnh tuyến mạng MANET với môi trường IoT Trong mạng có dây có giải thuật định tuyến sử dụng định tuyến theo trạng thái liên kết định tuyến theo vector... thức định tuyến mạng MANET cài đặt mô để đánh giá hiệu hai giao thức chúng áp dụng vào môi trường IoT Mạng MANET môi trường IoT 2.1 Manet Mạng MANET mạng bao gồm thiết bị di động vô tuyến kết nối... Các giao thức MANET định tuyến phân loại thành ba loại chung: 1) Định tuyến dựa cấu trúc liên kết: Các loại định tuyến là: (a) giao thức định tuyến chủ động, (b) giao thức định tuyến phản ứng,