Để nghiên cứu tiến hành một cách có hệ thống, có kết quả đánh giá chính xác, trong luận văn trình bày theo thứ tự:
- Trình bày về khái niệm, kiến trúc của mạng cảm biến không dây; các giao thức và hệ điều hành sử dụng để mô phỏng mạng cảm biến không dây năng lƣợng thấp.
- Thực hiện mô phỏng để xác định các tham số ảnh hƣởng đến hiệu năng của giao thức RPL trong mạng cảm biến không dây năng lƣợng thấp
- Lập thống kê, phân tích số liệu, đƣa ra các đánh giá và khuyến nghị
3.1.1. Mô hình đánh giá
Giao thức RPL có nhiều tính năng linh hoạt, đƣợc sử dụng nhiều trong các ứng dụng. Nó hỗ trợ hàng loạt các tham số cho các hàm mục tiêu (OF). Đầu tiên các định các tham số ảnh hƣởng đến các hàm mục tiêu. Với mục đích đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL, trong luận văn này tôi chọn mô phỏng mạng cảm biến không dây với số lƣợng node vừa đủ để thống kê đánh giá.
Để mô phỏng tôi chọn công cụ mô phỏng Cooja trong hệ điều hành Contiki dễ dàng quản lý, quan sát các tham số, tỷ lệ lỗi; các mô phỏng có thể tiến hành lặp đi lặp lại với sự thay đổi giá trị các tham số.
3.1.2. Kết quả phân tích
Mục tiêu của kết quả phân tích là đánh giá ảnh hƣởng của các tham số trong giao thức RPL đối với các đại lƣợng nhƣ độ trễ mạng (Latency), mức độ tiêu thụ năng lƣợng (Energy Consumption)... và xác định nguyên nhân làm thay đổi các đại lƣợng này.
Trong quá trình mô phỏng, có các yếu tố làm ảnh hƣởng đến kết quả mô phỏng: - Các yếu tố nội tại bên trong mô hình mô phỏng đảm bảo các biến độc lập ảnh hƣởng trực tiếp đến các biến phụ thuộc. Việc kiểm soát các yếu tố này đảm bảo kết quả phân tích chính xác do đó cần lựa chọn công cụ tối ƣu.
- Các yếu tố bên ngoài nhƣ sắp xếp thứ tự các thử nghiệm, điều kiện môi trƣờng, thời gian đo. Mạng cảm biến không dây có thể bị ảnh hƣởng bởi sóng wifi, gây thất
thoát cho mạng. Để khắc phục điều này, công cụ mô phỏng Cooja cung cấp việc thống kê chính xác, tránh đƣợc sự ảnh hƣởng của môi trƣờng bên ngoài.
- Cách phân tích cũng ảnh hƣởng đến kết quả đánh giá, do đó cần xác định chính xác các biến độc lập và biến phụ thuộc.
3.1.3. Phƣơng pháp đánh giá
Đầu tiên ta đánh giá so sánh các hàm mục tiêu OF0 và ETX qua việc thay đổi giá trị của các tham số DIO Interval Minimum, DIO Interval Doubling, Duty Cycling Interval và Frequency of Application Message (tần suất gửi thông điệp của ứng dụng), sau đó thông kê các đại lƣợng: Mức độ tiêu thụ năng lƣợng (Energy Consumption), độ trễ của mạng (Network Latency), quản lý lƣu lƣợng (Control Traffic Overhead)...
a) Đơn vị đánh giá hiệu suất
+ Thời gian thiết lập mạng: Các node trong mạng cảm biến cần phải tạo thành một kiến trúc để kết nối với nhau. Do đó thời gian thiết lập mạng là một đại lƣợng quan trọng để đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến RPL trong mạng cảm biến không dây. Thời gian thiết lập của DAG trong giao thức RPL đƣợc định nghĩa là khoảng thời gian cần thiết để các node tham gia vào DAG.
+ Quản lý lƣu lƣợng: Bao gồm các thông điệp DIO, DIS và DAO phát sinh bởi các node để kiểm soát lƣu lƣợng.
+ Mức độ tiêu thụ năng lƣợng:
+ Độ trễ mạng: là thời gian để gói tin đƣợc đƣợc truyền từ node đến sink, là độ trễ trung bình của tất cả các gói tin trong mạng.
+ Tỷ lệ truyền các gói tin: Là số gói tin trung bình nhận đƣợc ở sink. b) Các tham số
+ DIO Interval Minimum: Tham số này kiểm soát tỷ lệ truyền các thông điệp DIO. Các thông điệp DIO đƣợc truyền càng nhanh thì thời gian thiết lập mạng càng nhanh chóng. Tham số này ảnh hƣởng đến toàn bộ hiệu năng của giao thức. Trong Contiki, tham số này đƣợc thiết lập bới RPL_DIO_INTERVAL_MIN
+ DIO Doubling Interval: là khoảng thời gian DIO Minimum có thể tăng lên gấp đôi, hỗ trợ trong mạng cảm biến năng lƣợng thấp. Tham số này đƣợc thiết lập bởi RPL_DIO_INTERVAL_DOUBLING.
+ Duty Cycling Interval: Tham số này đƣợc sử dụng để thiết lập số lần cảm nhận trong một giây đối với bất kỳ kết nối nào. Tham số này đƣợc thiết lập bởi NETSTACK_RDC_CHANNEL_CHECKRATE
+ Tần suất gửi thông điệp ứng dụng: Là tỷ lệ thông điệp mức ứng dụng đƣợc gửi từ node đến sink. Tham số này đƣợc thiết lập bởi SEND_TIME.
3.2. Cài đặt mạng
Trong mô hình mô phỏng gồm 80 client và 01 server hoạt động nhƣ một nút gốc DODAG. Server sử dụng một ứng dụng mẫu udp-server.c còn client sử dụng udp- client.c. Chƣơng trình sử dụng một plugin có tên là Contiki Test Editor để ghi lại thời gian mô phỏng và kết thúc mô phỏng sau một khoảng thời gian xác định. Plugin này tạo ra một file log COOJA.testlog, đƣợc sử dụng để phân tích kết quả mô phỏng.
Các tham số của mô hình mô phỏng nhƣ sau:
Tham số Giá trị Start delay 65s Randomness 2s Total Packets 32115 RPL MOP NO_DOWNWARD_ROUTE OF OF0, ETX DIO Min 12 DIO Doubling 8
RDC Chanel Check Rate 16
Send Interval 4s RX Ratio 30-100% TX Ratio 100% TX Range 50m Interference Range 55m Simulation Time 1 hr
Client Node 80
Bảng 3.1: Các tham số mô phỏng
Tham số Send Interval thể hiện khoảng thời gian gửi giữa hai mức ứng dụng. Cả tham số Start delay và Send interval đều cộng thêm thời gian ngẫu nhiên (Randomness).
Tổng số gói tin gửi từ một node với tốc độ 1 packet/(Send interval ± Randomness).
Số gói tin tối thiểu đƣợc gửi đi với tốc độ 1 packet/Send interval * Simulation Time.
Số gói tin tối đa đƣợc gửi đi là 1 packet/(Send Interval + Randomness)*Simulation Time.
Trong mô hình mô phỏng các node RPL đƣợc cài đặt chế độ định tuyến NO DOWNWARD vì mô hình này sử dụng truyền thông đa điểm tới một điểm để giới hạn phạm vi nghiên cứu đánh giá. Tham số DIO Min và DIO Doubling sử dụng giá trị mặc định
Tỷ lệ nhận gói tin (RX) từ 30 đến 100%. Tỷ lệ truyền gói tin là 100%. Phạm vi truyền là 50m, phạm vi vùng giao thoa 55 m. Thời gian mô phỏng 1 giờ.
3.3. Thống kê số liệu
Trong mô hình mô phỏng bao gồm 80 node client, mỗi node gửi một gói tin UDP mẫu tới server. Sau một khoảng thời gian gửi (Send Interval) 10 giây và thời gian khởi tạo Start Delay 65 giây, client sẽ hiện thị thông báo nhận đƣợc từ server. Trong quá trình thực hiện mô phỏng, các thông báo của client và server đƣợc lƣu trữ trong file log. Trong file log sẽ chứa id của node, số gói tin và thời gian gửi.
Để tính độ trễ của mạng ta tính theo công thức:
Trong đó: n: Tổng số gói tin nhận thành công. Tính độ trễ trung bình theo công thức
Tính tỷ lệ chuyển gói tin (PDR):
Để tính độ tiêu thụ năng lƣợng ta sử dụng ứng dụng Powertrace của Contiki. Thời gian hội tụ (Convergence Time) trong mạng RPL là khoảng thời gian từ khi thông điệp DIO đầu tiên đƣợc gửi đến client đến khi thông điệp DIO cuối cùng tham gia vào DAG.
Thời gian hội tụ = Thời gian DIO cuối cùng tham gia DAG – Thời gian gửi DIO đầu tiên
Mạng RPL sử dụng giao thức ICMPv6 dựa vào quản lý thông điệp điều khiển gọi là DIS (DODAG Information Solicitation) và DIO (DODAG Information Object) để thiết lập và duy trì DODAG. Trong Contiki có 2 file nguồn hỗ trợ quản lý các thông điệp, đó là rpl-icmp6.c và rpl-dag.c. Khi một node gửi gửi một thông điệp điều khiển, mạng RPL sẽ gửi thông báo trạng thái “DIO sent“ và “DIO joined DAG“ và đƣợc lƣu trữ trong file log (COOJA.testlog). Thời gian quản lý lƣu lƣợng dữ liệu tính theo công thức: