Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây thì việc xác định số nhận dạng IP cho từng node là không khả thi. Việc thiếu IP cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các node gây ra khó khăn trọng việc chọn ra tập hợp các node chuyên dụng để đưa yêu cầu. Vì thế dữ liệu được truyền từ mọi node trong vùng với độ dư thừa đáng kể dẫn đến việc sử dụng năng lượng không thực sự hiệu quả. Do đó các nhà nghiên cứu đã đề xuất các giao thức mới có khả năng chọn ra tập hợp các node và thực hiện tập trung dữ liệu trong suốt quá trình truyền tin. Điều này dẫn đến ý tưởng về giao thức trung tâm dữ liệu. Trong giao thức định tuyến này, node sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các node cảm biến đã được chọn trước trong vùng đó. SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến những việc dàn xếp dữ liệu giữa các node để giảm bớt sự dư thừa thông tin và tiết kiệm năng lượng. Sau đó Directed Diffusion (truyền dẫn trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu.
2.4.1.1 Loang và mách bảo ( Flooding và Gossiping )
Flooding và Gossiping là hai kỹ thuật thường được dùng để truyền dữ liệu trong mạng cảm biến mà không cần bất cứ một giải thuật định tuyến hoặc sự duy trì cấu hình nào. Trong Flooding, mỗi cảm biến nhận gói dữ liệu, sau đó nó quảng bá thông tin dữ liệu vừa nhận được tới tất cả các node lân cận và quá trình cứ diễn ra cho đến khi gói dữ liệu đến đích. Gossiping có cải tiến hơn Flooding, trong đó các node nhận dữ liệu gửi gói đến các node lân cận ngẫu nhiên, sau đó lại chọn ngẫu nhiên một node lân cận để truyền tin thay vì quảng bá đến các node lân cận, và cứ tiếp tục như vậy.
Mặc dù Flooding triển khai tương đối dễ dàng nhưng nó có một số nhược điểm chính như sau:
+) Thứ nhất là hiện tượng bản tin kép. Tức là các gói dữ liệu giống nhau được gửi đến cùng một node.
+) Thứ hai là hiện tượng chồng chéo. Tức là khi có nhiều node cảm nhận cùng một vùng không gian và do đó gửi những gói tin giống nhau đến cùng một node lân cận.
+) Thứ ba là thuật toán này không hề quan tâm đến vấn đề năng lượng của các node. Do đó các node sẽ nhanh chóng suy hao năng lượng và làm giảm thời gian sống của toàn mạng.
Một sự cải tiến của giao thức này chính là Gossiping. Thuật toán này tránh được các vấn đề về sự truyền kép bằng việc chọn ngẫu nhiên node truyền tiếp theo hơn là kiểu quảng bá. Tuy nhiên điều này gây ra trễ trong việc truyền dữ liệu qua các node.
24
`
Hình 2.1 Hiện tượng bản tin kép
Node A flooding dữ liệu của nó tới tất cả các node trong lân cận. Tại D nhận được 2 lần dữ liệu, điều này là không cần thiết
Hình 2.2 Hiện tượng chồng chéo
Hai node cảm biến cùng bao phủ 1 vùng địa lý và tại C nhận được các định dạng dữ liệu giống nhau từ các cảm biến này.
2.4.1.2 SPIN (Sensor Protocols for Infomation via Negotiation)
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức trung tâm dữ liệu đầu tiên, dựa trên sự thỏa thuận về dữ liệu được quan tâm trước khi chuyển tiếp dữ liệu nhằm giảm sự dư thừa và tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu chính của giao thức này là tập trung quan sát môi trường một cách hiệu quả vào một số node cảm biến riêng biệt trên toàn bộ mạng.
SPIN dựa trên ý tưởng là đặt tên dữ liệu sử dụng ký hiệu mô tả ở mức độ cao hay còn gọi là thông tin về dữ liệu (meta-data). Trước khi truyền, thông tin về dữ liệu được trao
25
đổi giữa các node qua một cơ chế thông báo dữ liệu, đó chính là đặc điểm chính của SPIN. Mỗi một node nhận dữ liệu mới, thông báo tới các node lân cận của nó và các node lân cận quan tâm đến dữ liệu này, ví dụ như các node mà không có dữ liệu, lấy được dữ liệu nhờ gửi bản tin yêu cầu. Sự dàn xếp các thông tin về dữ liệu của SPIN giải quyết được các vấn đề của Flooding như thông tin dư thừa, chồng chéo các vùng cảm nhận, vì vậy đạt được hiệu quả về mặt năng lượng.
Trong cơ chế hoạt động của mình, SPIN sử dụng ba bản tin dùng để trao đổi dữ liệu giữa các node, đó là bản tin ADV cho phép các node thông báo một meta-data cụ thể, bản tin REQ để yêu cầu các dữ liệu đặc biệt và bản tin DATA để mang thông tin thực (tham khảo sự hoạt động các quá trình của SPIN như hình bên dưới).
Hình 2.3: Ba tín hiệu bắt tay của SPIN
Node A bắt đầu quảng bá dữ liệu tới node B (a). Node B trả lời bằng cách gửi yêu cầu tới node A (b). Node B nhận dữ liệu yêu cầu từ node A (c). Node B phát bản tin quảng bá tới các node lân cận (d), sau đó các node này gửi yêu cầu lại cho B (e-f).
Hình 2.4 Cơ chế của SPIN
Một ưu điểm của SPIN là các thay đổi về cấu hình được khoanh vùng vì thế các node chỉ cần nhận biết các node lân cận của chúng. Tuy nhiên cơ chế thông báo dữ liệu của SPIN không thể đảm bảo được việc phân phối dữ liệu. Ví dụ trong trường hợp nếu các
26
node cần dữ liệu ở xa so với node nguồn trong khi các node giữa nguồn và đích lại không cần dữ liệu đó thì dữ liệu sẽ không được phân phối đến đích. Vì thế SPIN không được sử dụng cho các ứng dụng như phát hiện xâm nhập mà yêu cầu độ tin cậy trong việc phân phối các gói tin qua các khoảng thời gian đều đặn.
2.4.1.3 Giao thức truyền tin trực tiếp (Directed Difffusion)
Directed Diffussion – giao thức truyền tin trực tiếp – là một giao thức định tuyến dữ liệu ở trung tâm mạng WSN. Mục đích của giao thức là giải quyết vấn đề giới hạn trong khả năng mở rộng mạng lưới của các giao thức trung tâm dữ liệu, tuy nhiên, Directed Diffussion cố gắng tìm ra một giải pháp đơn giản, thay vì phụ thuộc vào khả năng định vị toàn cầu của các node, giao thức này tạo ra sự tương tác giữa các node trong một vùng. Cấu trúc của truyền tin trực tiếp bắt nguồn từ chính cách thức hoạt động bên trong của một mạng cảm biến: Người vận hành hệ thống sẽ thông qua sink, tạo ra một yêu cầu tới một vùng xác định nào đó trong mạng theo hướng nhất định, các node trong vùng đó sẽ thu thập dữ liệu cần thiết và gửi trả lại để hoàn thành yêu cầu. Mỗi khi dữ liệu được thu thập, mỗi node cảm biến sẽ kết hợp với các node lân cận để truyền kết quả trở về sink. Giao thức Directed Diffusion bao gồm 4 thành phần: interest (thông tin yêu cầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient và reinforcements. Hoạt động của Directed Dissfusion có thể được mô tả như sau:
Hình 2.5: Các pha trong Directed Diffusion
Truyền interest: Dữ liệu được gán nhãn bằng các cặp giá trị thuộc tính. Một yêu cầu cảm biến tạo bởi sink sẽ được gửi trên toàn mạng dưới dạng các interest. Bản tin này sẽ truyền qua tất cả các node trong mạng thể hiện sự quan tâm đến một loại dữ liệu nào đó.
27
Mục đích của việc thăm dò này là để xem xét xem có node cảm biến nào đó có thể tìm kiếm dữ liệu tương ứng với interest không.
Mỗi một nhiệm vụ do sink gửi đi được miêu tả bằng một danh sách các cặp giá trị thuộc tính, ví dụ, danh sách này có thể chứa kiểu dữ liệu được yêu cầu, chu kỳ thời gian mà sink muốn nhận thông tin về nhiệm vụ được yêu cầu, thời gian tồn tại của toàn bộ nhiệm vụ, vùng mạng được chỉ định… Như vậy, mỗi một nhiệm vụ cảm biến do sink yêu cầu được mô tả trong một bản tin interest.
Tất cả các node đều duy trì một ngăn xết interest gọi là interest cache để lưu trữ các interest khác nhau. Mỗi một mục interest lại có nhiều trường khác nhau gồm: Một trường nhãn thời gian timestamp chứa thời điểm cuối cùng nhận được interest tương thích, một số trường gradient tương ứng với các node hàng xóm (mỗi một gradient có một trường tốc độ dữ liệu chứa tốc độ dữ liệu yêu cầu bởi node hàng xóm và hướng truyền), một trường chu kỳ chỉ ra khoảng thời gian tồn tại của interest.
Khi node cảm biến nhận được một interest, nó kiểm tra trong bộ nhớ cache của nó, nếu không có mục interest nào tương ứng thì node sẽ tạo ra một mục interest mới với các thông số có trong interest vừa nhận được. Ngược lại, nếu như interest nhận được có trong cache thì node sẽ cập nhật nhãn thời gian và trường duration vào mục interest tương ứng. Sau khi nhận một interest, một node sẽ quyết định broadcast interest này tới tất cả các hàng xóm của nó, hoặc nó có thể chỉ gửi interest tới một vài node lân cận, hoặc cũng có thể hủy interest đó nếu như nó vừa mới gửi một interest cùng loại. Đối với hàng xóm của node gửi interest, nhận được interest chuyển tiếp từ node nào thì nó coi node đó là nguồn của interest, mặc dù trên thực tế, interest này được bắt nguồn từ sink. Theo cách thức hoạt động đó, các interest được truyền đi trên toàn mạng thông qua sự tương tác giữa các node lân cận.
Thiết lập Gradient: Quá trình các bản tin interest được truyền đi cũng chính là quá trình thiết lập các đường truyền có thể trong mạng (gradient). Các gradient này được sử dụng để định tuyến cho gói tin dữ liệu (dữ liệu phù hợp với interest) trở lại sink. Dữ liệu sẽ được truyền trở về sink thông qua các đường truyền đa điểm, node trung gian có thể lưu trữ hoặc tính toán dữ liệu.
Truyền dữ liệu: Một node cảm biến nằm trong vùng đích của một interest có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi bản tin dữ liệu đi ở tốc độ bằng với tốc độ lớn nhất chỉ ra trong trường gradients của nó.
Khi node nhận được một bản tin dữ liệu từ một trong các node hành xóm của nó, nó sẽ tìm kiếm interest tương ứng trong cache. Nếu như không tồn tại interest nào tương ứng, gói dữ liệu sẽ bị loại bỏ. Nếu node nhận được một bản tin dữ liệu mà có một mục interest
28
phù hợp, để đề phòng trường hợp lặp vòng, node tiến hành kiểm tra cache dữ liệu, cache này lưu trữ đường đi của các bản tin dữ liệu mới nhận được. Nếu như bản tin dữ liệu nhận được khớp với một mục trong cache dữ liệu thì bản tin đó cũng bị loại bỏ. Ngược lại, bản tin dữ liệu sẽ được thêm vào cache dữ liệu và gửi tới node lân cận.
Trước khi gửi một bản tin dữ liệu, một node cần kiểm tra danh sách đường truyền trong mục interest. Nếu tất cả các đường truyền có tốc độ dữ liệu lớn hơn hoặc bằng tốc độ yêu cầu của gói tin đến, node này sẽ có thể chuyển tiếp gói tin dữ liệu vừa nhận được tới node lân cận dự phòng. Nếu một vài đường truyền có tốc độ dữ liệu thấp hơn những đường truyền khác, node sẽ chuyển những đường truyền đó xuống thành đường truyền dự phòng.
Như vậy, Directed disffusion có ưu điểm là nếu một đường dẫn nào đó giữa sink và một node bị lỗi, một đường dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn sẽ được thay thế. Kỹ thuật định tuyến này ổn định và phù hợp với mạng yêu cầu tính linh hoạt cao. Loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lượng đáng kể.