Nghiên cứu giao thức định tuyến cho IPv6 ứng dụng trong mạng iot

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung Luận văn tơi viết hồn tồn xác trung thực Các tài liệu tham khảo sử dụng có nguồn gốc đuợc trích dẫn rõ ràng Tơi xin chịu ho n to n tr ch nhiệm có dấu hiệu ch p từ c c t i iệu h c Luận văn đuợc tìm hiểu, nghiên cứu duới huớng dẫn TS Huỳnh Công Tú, thầy nguời uôn động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành Tuy thời gian khả có hạn chắn khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận đuợc góp ý bổ sung để luận văn đuợc hồn chỉnh thời gian đến Bình Định, ngày 20 tháng 04 năm 2021 Nguời thực Nguyễn Thông LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực luận văn, em có hội nghiên cứu, học tập cập nhật kiến thức chuyên ng nh môn học trường Cùng với đó, phương ph p giảng dạy khoa học gắn với thực tiễn công tác Thầy giảng viên khoa kỹ thuật công nghệ trường Đại học Quy nhơn Qua em xin chân th nh cảm ơn Thầy hướng dẫn TS Huỳnh Công Tú giúp đỡ em hoàn thành luận văn n y Bình Định, ngày 20 tháng 04 năm 2021 Người thực Nguyễn Thông MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao) DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT •• Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 6LoWPAN IPv6 Protocol over Low-Power S dụng giao thức IPv6 Wireless PANs mạng PAN không dây công suất thấp AH Authentication Header Mào đầu xác thực APNIC Asia- Pacific Network Trung tâm thông tin mạng châu Information Centre Á- Thái Bình Dương ARP Address Resolution Protocol Thủ tục phân giải địa CTP Collection Tree Protocol Giao thức thu thập liệu thực thi DAO Destination Advertisement Đối tượng quảng b đích Object DDR Data Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DHCP Dynamic Host Configuration Giao thức cấu hình động máy Protocol chủ DIO DODAG Information Object DODAG đối tượng thông tin DIS DODAG Information DODAG khuyến khích thơng tin Solicitation DNS Domain Name System Hệ thống tên miền DODAG Destination Oriented Direct Đồ thị hơng có chu trình Acyclic Graph định hướng ESP Encrypted Security Payload Mào đầu mã hóa ETX Expected Transmission Truyền kỳ vọng IANA Internet Assigned Numbers Authority Tổ chức cấp phát số hiệu Internet ICMP Internet Control Message Giao thức x lý thông báo Protocol trạng thái cho IP ICV Integrity Check Value Giá trị kiểm tra tính tồn vẹn IEEE Institute of Electrical and Hội Kỹ sư Điện Điện tử Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force Hiệp hội đặc trách kỹ thuật Internet IoT Internet of Things Internet Vạn Vật IP Internet Protocol Giao thức Internet IPSec IP Security Architecture Giao thức bảo mật Internet IPv4 Internet Protocol version Giao thức Internet phiên IPv6 Internet Protocol version Giao thức Internet phiên LAN Local Area Network Mạng cục LLN Low- Power and Losy Networks Mạng tổn hao cơng suất thấp LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn M2M Machine-to-Machine Tương t ác máy với máy NAT Network Address Transiation Chuyển đổi địa mạng NAT- PT Network Address Transiation - Chuyển đổi địa mạng - Protocol Transiator chuyển đổi giao thức QoS Quality of Service Chất ượng dịch vụ RFC Request for Comments Tài liệu chuẩn cho Internet RIPng RIP next generation Giao thức RIP xây dựng cho việc định tuyến IPv6 RPL Routing Protocol for Low- Giao thức định tuyến Ipv6 dành Power and Lossy Networks cho mạng tổn hao công suất thấp SN Sequence Number Số thứ tự SPI Security Parameters Index Chỉ mục tham số bảo mật TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển giao vận TTL Time to live Thời gian tồn UDP User Datagram Protocol Giao thức liệu người dùng VNNIC Vietnam Internet Network Trung tâm Internet Việt Nam Information Center DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ • 3.9 76 Hình 11 Sự phụ thuộc mức tiêu thụ ượng vào số nút cảm biến.77 Hình 12 Mức tiêu thụ ượng mạng gồm 10,15,20,25 nút cảm biến .78 DANH MỤC CÁC BẢNG • 10 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mạng Internet mạng dùng công nghệ IP trở nên quan trọng sống xã hội đại ngày Mạng Internet tạo môi trường hoạt động toàn cầu cho tất người tham gia, gần xóa biên giới quốc gia, thu ngắn khoảng c ch địa lý Một vấn đề quan trọng mà kỹ thuật mạng giới phải giải phát triển với tốc độ nhanh mạng Internet toàn cầu Sự phát triển với tích hợp dịch vụ, triển khai dịch vụ mới, kết nối nhiều mạng h c nhau, mạng di động với mạng Internet đặt vấn đề thiếu tài nguyên dùng chung Việc s dụng hệ thống địa cho mạng IPv4 hông đ p ứng phát triển mạng Internet toàn cầu thời gian ngắn tới Do nghiên cứu triển khai ứng dụng phương thức đ nh địa nhằm khắc phục hạn chế yêu cầu tất yếu cần làm Hiện nay, IoT (Internet of Things) chủ đề nóng thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới [6,9,12] Nhiều chuẩn giao thức h c đề xuất cho mơ hình mạng IoT Trong bối cảnh bùng nổ công nghệ thông tin, mạng Internet ngày mở rộng, thiết bị cơng nghệ Internet có điện thoại thơng minh, máy tính bảng, m y tính x ch tay, đồng hồ thơng minh, thiết bị tự động hóa tòa nh coi phần Internet of Things Quan niệm việc mở rộng Internet đến thứ khả thi nhờ vào phiên giao thức Internet (IPv6) IPv6 trải rộng hông gian địa để hỗ trợ tất thiết bị hỗ trợ Internet IPv6 thiết kế để cung cấp thông tin liên lạc an to àn cho người dùng tính di động cho tất thiết bị gắn liền với người dùng; Nhận xử lý gói tin đến PRINTF("Initiaing global repair\n"); rpl_repair_root(RPL-DEFAULTINSTANCE); } } //call this function if packet available static void tcpip handler(void) { char *appdata; if(uip newdata()) { appdata = (char *)uip appdata; appdata[uip datalen()] = 0; //print the data of packet PRINTF("DATA recv '%s' from ", appdata); PRINTF("%d", UIP IP BUF->srcipaddr.u8[sizeof(UIP IP BUF->srcipaddr.u8) 1]); PRINTF("\n"); } Phía máy khách UDP chủ yếu thực hai tác vụ: Thiết lập kết nối UPD; G i gói tin đến máy chủ UDP theo định kỳ Thiết lập kết nối UPD /* new connection with remote host */ client_conn = udp_new(NULL, UIP_HTONS(UDP_SERVER_PORT), NULL); if(client_conn == NULL) { PRINTF("No UDP connection available, exiting the process!\n"); PROCESS_EXIT(); } udp_bind(client_conn, UIP_HTONS(UDP_CLIENT_PORT)); PRINTF("Created a connection with the server "); PRINT6ADDR(&client_conn->ripaddr); PRINTF(" local/remote port %u/%u\n", UIP_HTONS(client_conn->lport), UIP_HTONS(client_conn->rport)); Gửi gói tin //set time interval by SEND INTERVAL etimer set(&periodic, SEND INTERVAL); while(1) { PROCESS_YIELD(); if(ev == tcpip event) { tcpip handler(); } //send packet every SEND INTERVAL if(etimer expired(&periodic)) { etimer reset(&periodic); ctimer set(&backoff timer, SEND TIME, send packet, NULL); static void send packet(void *ptr) { static int seq id; char buf[MAX_PAYLOAD_LEN]; seq id++; PRINTF("DATA send to %d 'Hello %d'\n", server ipaddr.u8[sizeof(server ipaddr.u8) - 1], seq id); sprintf(buf, "Hello %d from the client", seq id); //send packet through client conn to UDP server uip udp packet sendto(client conn, buf, strlen(buf), &server_ipaddr, UIP_HTONS(UDP_SERVER_PORT)); Trong luận văn n y xem x t ví dụ mạng IoT bao gồm nút cảm biến thu nhận tín hiệu khác mơi trường như: nhiệt độ, cường độ ánh s độ ẩm, số đo mức tiêu thụ điện bên nút Các cảm biến g i thông số đọc định kỳ mạng mu tihop đến nút chìm thu thập số thực nút gốc RPL, tạo nên DAG RPL phép chuyển tiếp liệu từ nút cảm biến tới Mạng mơ tả trực quan hình 3.3 Nó bao gồm nút gốc N nút cảm biến (N= 5, 10,15,20,25,35,45,55,65) Các nút phân phối hình, vng ưới 10 m Mỗi nút cung cấp nhật ký cục định kỳ có chứa thơng số đo ường nội mức tiêu thụ điện ngo i việc ghi nhật ký gói tin g i Hình 3 Mạng thu thập liệu với nút can thiệp Các vòng tròn hiển thị phạm vi giao thoa Việc đ nh gi giao thức dựa lần chạy th nghiệm môi trường mô Cooja với nút mô TMoteSky Các nút chạy với chương trình thu thập liệu IPv6 triển khai UDPv6 RPL môi trường đa kênh Contiki Mạng mơ minh họa hình 3.3, • bao gồm: Một nút gốc mô luôn bật hoạt động máy chủ UDP chìm thu thập nút gốc RPL lúc; • N nút g i mơ thực theo chu kỳ hoạt động c c UDP khách, thu thập g i thông số tiêu thụ ượng thư viện Contiki’s energest; c ác thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng s dụng cảm biến Các nút g i g i gói tin đến nút gốc định kỳ sau 30 - 32 giây Kích thước gói tin 46 byte Chúng tạo ghi nội định kỳ cho giao tiếp USB sau giây để phục vụ cho việc đ nh gi mạng Nút g i chuyển tiếp c c thông điệp tới nút khác kể từ chúng tạo thành RPLDAG Nút gốc thu thập thông số từ nút g i ghi chúng vào giao tiếp USB C c thông điệp g i nút g i có cấu trúc hiển thị Hình 4, thơng điệp nhật ký nội có cấu trúc hiển thị Hình 3.5 sink log messages có cấu trúc hiển thị Hình 3.6 Ngồi Cooja in thêm hai trường đầu thông điệp báo cáo; thời gian mô theo micro giây ID nút xuất thông điệp Đầu nhật ký mẫu hiển thị Hình 3.7 Hình Cấu trúc thơng điệp nút gửi Field name Descripiion Node address [t is compacted by reporting only one number that is obtained by shifting the second last octet of the address and ail ding it to tile last octet String This says whether this is only a local log (ỉíKaỉ-log:), or it is actually sent (pending-msg.*) hisg This is a structure similar to actual sent message except for the last 10 bytes which are ignored since they* represent sensor readings which arc not necessary for calculating evaluation metrics, Hình Nhật ký nội Field name Number of fields Node time Node time Separator Sender's address Sequence number Hop count Separator Msg description How many fields there arc in this log message Higher two bytes of local time Lower two bytes of local time It puts 1) to separate fields ill the message It is compacted by reporting only one number that is obtained by shifting the second last octet of the address and adding it to the last octet A sequential number tliat identifies packets sent from the same source The numbeT of hops the received message has passed through It puts 1) to separate fields ill the message This is a structure similar to actual sent message except for the first held, which is the sequence number, as it is printed earlier Hình Bản ghi thơng điệp nút chìm 1574 ID:25 6425 lncsl_log: 128 22 8328 2830 38127 398 324Ũ ID:25 6425 sending-msg:129 22 8541 21508 46695 11982 824 7814 ID:1 30 71 6425 129 22 8541 Ữ 21508 46695 11982 824 Hình Bản ghi thông điệp xuất 3.5 Kết đánh giá giao thức định tuyến RPL Trong luận văn n y tập trung vào phân tích mơ phỏng, đ nh gi giao thức định tuyến RPL với thông số công suất tiêu thụ trung bình nút mạng Trong nghiên cứu [1] chúng tơi s dụng mơ hình mơ DODAG bao gồm 31 nút mạng phân bố ngẫu nhiên trường cảm biến có kích thước (100m x 100m) Bảng 3.1 tóm tắt kịch đánh gi mơ với hai giao thức RPL CTP Kết Hình 3.8 cho thấy mức tiêu thụ cơng suất trung bình tồn mạng giao thức RPL giao thức CTP Kết mô cho thấy giao thức RPL hiệu mặt ượng so với giao thức CTP [11] 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 ượng Mơ hình nghiên cứu [1] chưa đ nh gi phụ thuộc mức tiêu thụ ượng trung bình tồn mạng với số ượng nút cảm biến Bảng Kịch đánh giá mô [1] Các tham số Mơ hình truyền thơng vơ tuyến Giá trị UDI (Unit Disk Graph with Distance Interference) Số nút mạng 31 Kích thước mạng 100m x 100m Phạm vi phủ sóng nút Phạm vi truyền hiệu quả: 30m Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50m Chu kỳ gửi tin liệu 30s, 40s, 50s, 60s Nguồn gửri tin liệu Tất nút mạng Giao thức lớp MAC CSMA/ContikiMAC [4] Hình So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình [1] Trong nghiên cứu chúng tơi sử dụng mơ hình mạng mô tả mục 3.4 Để đánh gi phụ thuộc mức tiêu thụ ượng trung bình mạng vào số ượng nút cảm biến mạng, mô với số nút cảm biến lần ượt N=5,10,15,20, 25,35,45,55,65 Các nút cảm biến g i thông điệp đến nút gốc khoảng thời gian 30 giây Thông số ượng mạng thu thập công cụ powertrace Contiki Thời gian thực mô 60 phút Hinh 3.9 thể cách bố trí nút cảm biến mạng Nút nằm phạm vi liên kết với nút gốc, nút liên kết với nút Nút trường hợp khác, vừa liên kết với nút nút gốc Hình Sơ đồ bố trí nút mạng Hình 10 Mức tiêu thụ lượng nút mạng bố trí theo sơ đồ hình 3.9 Hình 11 Sự phụ thuộc mức tiêu thụ lượng vào số nút cảm biến • ■ • • • d •d Hình 3.11 thể kết mô mức tiêu thụ ượng mạng tăng số nút cảm biến lên Kết cho thấy hi tăng số nút cảm biến N=10, ượng tiêu thụ trung bình tồn mạng giảm xuống 10,48% so với 17,23% hi N=5 Khi tăng dần N từ 10 đến 25 nút cảm biến mức tiêu thụ ượng trung bình mạng giảm dần Tiếp tục tăng số nút mạng từ 25 đến 65 nút cảm biến mức ượng tiêu thụ trung bình hơng thay đổi nhiều Hình 3.11, 3.12 thể phụ thuộc mức tiêu thụ ượng trung bình mạng hi tăng số nút cảm biến N Hình 12 Mức tiêu thụ lượng mạng gồm 10,15,20,25 nút cảm biến Kết luận chương Một số kết đ nh gi mô với giao thức RPL cho thấy giao thức RPL có hiệu mức tiêu thụ lượng Khi tăng số lượng nút cảm biến mức tiêu thụ l ượng mạng ổn định Tuy nhiên giao thức RPL có huynh hướng s dụng lâu dài liên kết có chất ượng tốt Điều dẫn đến việc cân ượng nút mạng DODAG Do vậy, số nút mạng hết ượng nhanh so với nút mạng khác; thứ hai, mạng hỗn hợp bao gồm nhiều nút cảm biến trang bị loại nguồn ượng khác giao thức RPL chưa có phân loại chất ượng dịch vụ cho kiểu ưu ượng liệu khác mạng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Trong luận văn n y trình b y nghiên cứu tổng quan giao thức định tuyến IPv6 khả ứng dụng cho mạng IoT Một số kết luận văn sau: Nghiên cứu tổng quan công nghệ tiêu chuẩn kỹ thuật IPv6, công nghệ chuyển đổi IPv6 mạng truyền thông giải pháp bảo mật IPv6 Nghiên cứu giao thức định tuyến IPv6 s dụng cho mạng tổn hao công suất thấp (6LoWPAN) s dụng IPv6 mạng cá nhân không dây công suất thấp, giao thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks) với yêu cầu cấu trúc liên kết mạng bền vững qua liên kết tổn hao công suất thấp với yêu cầu trạng thái liên kết tối thiểu Mô v đ nh gi hiệu giao thức định tuyến RPL dựa công cụ mô Cooja/MSPSim chạy hệ điều hành Contiki Kết mô cho thấy giao thức định tuyến RPL phù hợp với ứng dụng triển khai mạng IoT Hướng phát triển Nghiên cứu luận văn n y bước đầu tổng hợp phân tích việc triển hai IPv6 Đ nh gi hiệu c c giao thức định tuyến cho IPv6 dựa kết mơ cơng cụ Cooja/MSPSim Kết s dụng để tiếp tục thực nghiên cứu thực nghiệm tương Triển hai đ nh gi thực nghiêm với phần cứng thiết bị S dụng học m y để tối ưu ết nối nút mạng cảm biến nút gốc TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thang Vu Chien, Thang Le Nhat Đ nh gi hiệu giao thức định tuyến IPv6 cho mạng cảm biến khơng dây Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự,2015, Số 38, 08, Tr 51-58 [2] Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, “Operating System for Wireless Sensor Networks and an Experiment of Porting Conti iOS to MSP430 Microcontro er,” Journa of Computer Science and Information, Vol 5, Issue 1, February (2012), ISSN: 2088-7051, pp 5056 [3] Thuy Nguyen Thi Thu, "Giới thiệu hệ địa Internet IPv6." (2006) [4] A Dunkels, “The Conti iMAC Radio Duty Cyc ing Protoco ,” SICS technical report, December (2011) [5] Adam Dunkels, Fredrik Osterlind, Nicolas Tsiftes, Zhitao He, “Softwarebased On ine Energy Estimation for Sensor Nodes,” Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors, (2007) [6] C Gomez, J Paradells, C Bormann, J Crowcroft, "From 6LoWPAN to 6Lo: Expanding the Universe of IPv6-Supported Technologies for the Internet of Things", IEEE Communications Magazine, Vol 55, Issue 12, pp 148-155, December 2017 [7] De Couto D, Aguayo D, Bicket J, Morris R, “A high-throughput path metric for multi-hop wire ess routing” In: Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, New York, (2003) [8] J Haxhibeqiri, E De Poorter, I Moerman, J Hoebeke, “A Survey of LoRaWAN for IoT: From Techno ogy to App ication”, Sensors, Vol 18, 3995, November 2018 [9] Jara, A J., Ladid, L., Skarmeta, A The Internet of Everything through IPv6: An Analysis of Challenges, Solutions and Opportunities Journal of Wireless Mobile Networks, Ubiquitous Computing, and Dependable Applications (JoWUA), Vol 4, No 3, pp 97-118, September 2013 [10] John J Amoss, Daniel Minoli Handbook of IPv4 to IPv6 Transition: Methodologies for Institutional and Corporate Networks 1st Edition Auerbach Publications; 1st edition (September 19, 2019), 248 pages [11] Omprakash Gnawali, Rodrigo Fonseca, Kyle Jamieson, David Moss, and Philip Levis, “Co ection Tree Protoco ,” In Proceedings of the 7th ACM Conference on Embedded Net-worked Sensor Systems (SenSys 2009), Berkeley, CA, USA, November (2009) [12] S Deering and R Hinden Internet Protocol, Version (IPv6) Specification, document IETF RFC 8200, 2017 [13] Thubert, Pascal Winter, Tim Brandt, Anders Hui, Jonathan Kelsey et.all (2012) RPL: IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks IETF RFC 6550- Deploying IPv6 networks (2006, Cisco Press) [14] Wu, P, Cui, Y, Wu, J, Liu, J and Metz, C Transition from IPv4 to IPv6: A state-of-the-art survey, IEEE Communications Surveys & Tutorials, 15(3), pp.1407-1424, (2013) [15] Một số chuẩn giao tiếp mạng IoT https: //tapit.vn/mot- chuan- giaotiep-trong-iot-internet-things Truy cập ngày 10/04/2021 [16] Thống kê IPv6 APNIC (Tổ chức quản ý địa khu vực châu ÁThái Bình Dương) https://stats labs apnic net/ipv6/ Truy cập ngày 09/04/2021 [17] Trung Tâm Internet Việt Nam VNNIC https://www.vnnic.vn/ipv6/congnghe/giao-thức-bảo-mật-ipsectrong-ipv6 Truy cập ngày 09/03/2021 ... Việt nam có nghiên cứu giao thức định tuyến cho mạng tổn hao công suất thấp Trong nghiên cứu [1] đ nh gi hiệu giao thức định tuyến RPL, giao thức định tuyến vectơ hoảng cách dựa IPv6 cho mạng cảm... triển hai định tuyến IPv6 cho mạng IoT b) Phạm vi nghiên cứu 16 - Nghiên cứu kỹ thuật giao thức định tuyến IPv6 ứng dụng cho mạng IoT công suất thấp Phương pháp luận phương pháp nghiên cứu: - Phân... dụng cho mạng IoT 3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan IoT - Nghiên cứu giao thức định tuyến IPv6 - Vai trò IPv6 IoT - Những tính IPv6 so với IPv4 - Các cách thức để triển khai IPv6