SPIN – PP (SPIN – Point – to – point).
Dạng đơn giản nhất của họ giao thức SPIN là SPIN-PP được thiết kế cho mạng liờn lạc điểm – điểm (point – to - point). Thủ tục bắt tay ba bước được chỉ rừ trờn hỡnh 4.7:
Hỡnh 4.7: Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN – PP.
Bước 1, Node A cú dữ liệu cần phỏt vỡ thế node A phỏt gúi ADV quảng cỏo cho gúi dữ liệu thực của mỡnh.
Bước 2, Node B quan tõm đến gúi dữ liệu đú liền gửi gúi REQ yờu cầu dữ liệu.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Giao thức này thỏa thuận giữa cỏc node để trỏnh nguy cơ bị bựng nổ lưu lượng và vấn đề overlap trong giao thức Flooding và Gossiping. Theo kết quả mụ phỏng của SPIN – 1, giao thức này giảm 3.5 lần mức tiờu thụ năng lượng so với Flooding. Giao thức này cũn đạt được tốc độ cao gần tối ưu so với lý thuyết.
SPIN – EC.
Một loại khỏc của giao thức này là giao thức SPIN – EC, kết hợp chặt chẽ kỹ thuật quan sỏt năng lượng dựa trờn mức ngưỡng. Một node chỉ tham gia vào cỏc hoạt động của giao thức nếu node cú thể hoàn thành tất cả cỏc hoạt động mà khụng làm giảm năng lượng dưới mức cho phộp. Do đú, nếu một node nhận được một gúi quảng cỏo, nú sẽ khụng gửi thụng điệp REQ nếu nú xỏc định rằng nguồn năng lượng hiện tại của nú khụng đủ cao để gửi thụng điệp REQ và nhận gúi DATA tương ứng. Kết quả mụ phỏng cho thấy giao thức SPIN – EC cú thể truyền hơn 60% dữ liệu trờn một đơn vị năng lượng so với Flooding. Hơn nữa, dữ liệu cho thấy SPIN – EC tiến rất gần với lý tưởng về số lượng dữ liệu cú thể truyền trờn một đơn vị năng lượng.
SPIN – BC.
Cả hai giao thức SPIN – PP và SPIN – EC đều được thiết kế cho liờn lạc điểm. Một loại thứ 3 của họ giao thức SPIN, SPIN – BC được thiết kế cho mạng quảng bỏ. Trong cỏc mạng này, cỏc node chia sẻ một kờnh truyền duy nhất cho việc giao tiếp. Trong giao thức này, khi một node gửi một gúi dữ liệu qua kờnh quảng bỏ thỡ gúi dữ liệu này sẽ được nhận bởi tất cả cỏc node khỏc trong một phạm vi nhất định của node gửi. Giao thức SPIN – BC tận dụng khả năng phỏt súng của kờnh và khụng yờu cầu một node sau khi nhận được thụng điệp ADV phải đỏp lại ngay lập tức gúi REQ. Thay vào đú cỏc node đợi trong khoảng một khoảng thời gian nhất định, trong thời gian đú nú theo dừi kờnh truyền. Nếu node nghe thấy thụng điệp REQ được phỏt ra từ một node khỏc (nghĩa là node kia mong muốn nhận được gúi dữ liệu từ node nguồn) và node sẽ hủy bỏ gúi REQ của nú, do đú loại bỏ được khả năng dư thừa của cỏc gúi REQ trong mạng. Khi nhận được gúi REQ từ một node nào đú trong mạng node nguồn sẽ gửi thụng điệp DATA chỉ một lần, ngay cả khi nú nhận được nhiều gúi yờu cầu giống nhau từ cỏc node mạng.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Hỡnh 4.8. Giao thức SPIN – BC.
Trong mụ hỡnh này, node cú dữ liệu là node A, gửi một gúi ADV để mụ tả dữ liệu của nú cho cỏc node lõn cận. Tất cả cỏc node đều nghe thấy thụng điệp này nhưng node C là node đầu tiờn phỏt gúi REQ để yờu cầu dữ liệu thực từ node A. Vỡ đõy là gúi phỏt quảng bỏ nờn cỏc node B và D cũng nghe được gúi này và ngưng việc phỏt gúi REQ của nú. Node E và node F khụng quan tõm và bỏ qua cỏc gúi này. Khi nghe được gúi REQ từ node C, node A sẽ phỏt gúi dữ liệu cho node C. Tất cả cỏc node trong phạm vi truyền của node A đều nhận được gúi dữ liệu này, bao gồm cả node E và F. Trong mụi trường quảng bỏ, SPIN – BC giảm hao phớ năng lượng bằng cỏch hạn chế cỏc gúi dư thừa trong mạng.
Giao thức SPIN – RL.
Giao thức cuối cựng thuộc họ giao thức SPIN là giao thức SPIN – RL, mở rộng khả năng cho giao thức SPIN – BC để cải thiện độ tin cậy và lỗi thụng điệp do suy hao kờnh truyền. Cỏc gúi ADV và REQ được phỏt quảng bỏ lặp lại theo chu kỳ. Nếu một node gửi yờu cầu REQ nhận gúi dữ liệu nhưng sau khoảng thời gian định trước nú vẫn chưa nhận được thỡ node này sẽ gửi yờu cầu lại một lần nữa. Hơn nữa, độ tin cậy được cải thiện cũn do việc phỏt lại gúi mụ tả dữ liệu metadata theo chu kỳ. Cỏc node SPIN – RL hạn chế số lần phỏt lại thụng điệp DATA. Sau khi gửi thụng điệp DATA, node chờ hết một khoảng thời gian nhất định trước khi đỏp ứng cho cỏc yờu cầu khỏc cho cỏc thụng điệp dữ liệu tương tự.
Họ giao thức SPIN chỉ ra cỏc nhược điểm chớnh của 2 giao thức Flooding và Gossiping. SPIN cú hiệu suất sử dụng năng lượng và tốc độ phõn phỏt dữ liệu cao hơn Flooding và Gossiping. Tuy nhiờn, sự thỏa thuận cục bộ cú thể khụng đủ để bao bọc hết toàn bộ mạng để tất cả cỏc node cho nhu cầu đều nhận được gúi quảng bỏ và sau đú là gúi dữ liệu mong muốn. Trường hợp này cú thể xảy ra nếu cỏc node trung
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
tõm khụng quan tõm đến gúi dữ liệu và bỏ qua thụng điệp ADV tương ứng sau khi nhận được gúi này. Điều này hạn chế việc sử dụng của giao thức SPIN trong cỏc ứng dụng đặc biệt như giỏm sỏt phỏt hiện xõm nhập và bảo vệ cỏc cụng trỡnh trọng yếu.
4.2.3 Phõn nhúm phõn cấp thớch ứng năng lượng thấp (LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy).
LEACH là một thuật toỏn định tuyến được thiết kế để thu thập và phõn phối dữ liệu đến cỏc bộ gúp dữ liệu, thụng thường là một trạm gốc. Mục tiờu chớnh của LEACH là:
Kộo dài thời gian sống của mạng.
Giảm năng lượng tiờu thụ tại cỏc node mạng.
Sử dụng sự tập hợp dữ liệu để giảm bớt số thụng điệp cần truyền đi.
Để đạt được những mục tiờu này, LEACH xõy dựng cấu trỳc mạng thành cỏc cluster. Mỗi cluster được quản lý bởi cỏc node chớnh gọi là cluster head. LEACH lựa chọn ngẫu nhiờn một số node cảm biến để trở thành cỏc node chớnh và quay vũng vai trũ này để phõn bố đều tải năng lượng giữa cỏc node cảm biến trong mạng và thực hiện cỏc nhiệm vụ khỏc nhau. Nhiệm vụ đầu tiờn là cỏc node chớnh tập hợp dữ liệu đến từ cỏc node khỏc trong nhúm của chỳng. Sau khi thu thập dữ liệu, cỏc node chớnh cố gắng loại bỏ những dư thừa giữa cỏc giỏ trị tương quan. Nhiệm vụ thứ hai của cluster head là truyền trực tiếp dữ liệu tập hợp được đến trạm gốc nhằm mục đớch giảm số lượng thụng tin truyền về trạm gốc. Việc truyền dữ liệu tổng hợp được thực hiện thụng qua phương thức truyền đơn chặng (single hop). Mụ hỡnh mạng sử dụng giao thức LEACH được mụ tả trờn hỡnh 4.9. Nhiệm vụ thứ 3 của cluster head là tạo ra một bộ định thời TDMA, và cấp cho mỗi node một khe thời gian khi nú truyền phỏt. Định thời được quảng bỏ tới tất cả cỏc node của nhúm. LEACH dựng kỹ thuật đa truy nhập theo mó (CDMA) để giảm xung đột giữa cỏc node trong và ngoài cluster. Mó được lựa chọn cẩn thận để giảm can nhiễu giữa cỏc cluster.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Hoạt động của giao thức LEACH được phõn tỏch thành hai pha riờng biệt, pha thiết lập và pha ổn định trạng thỏi.
Pha thiết lập, cỏc nhúm được tổ chức và cỏc node chớnh được lựa chọn.
Pha ổn định trạng thỏi, việc truyền dữ liệu về trạm gốc được tiến hành. Khoảng thời gian tồn tại của pha ổn định trạng thỏi thường dài hơn so với thời gian thiết lập ban đầu để giảm tối thiểu tổng chi phớ.
Hỡnh 4.10. Cỏc pha trong LEACH.
Trong pha thiết lập, bắt đầu quỏ trỡnh chọn lựa cỏc node chớnh (cluster head). Quỏ trỡnh lựa chọn node chớnh được xoay vũng giữa cỏc node mạng để nhằm mục đớch năng lượng tiờu tỏn giữa cỏc node cảm biến là đồng đều. Một số lượng nhỏ cỏc node được xỏc định trước tự quyết định chỳng trở thành cỏc node chớnh, một node (n) chọn lấy một số ngẫu nhiờn, trong phạm vi từ 0 đến 1 và so sỏnh với giỏ trị ngưỡng T(n). Nếu số ngẫu nhiờn này nhỏ hơn giỏ trị ngưỡng T(n), thỡ node đú trở thành node chớnh ở vũng hiện tại. Giỏ trị ngưỡng tớnh toỏn dựa trờn một biểu thức toỏn học cú sự kết hợp phần trăm mong muốn hay xỏc suất trở thành node chớnh P ở vũng lặp hiện tại r, và tập hợp cỏc node chưa được chọn làm node chớnh ở 1/P vũng trước đú – tập
G. T(n) được xỏc định như sau:
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
khụng được lựa chọn là node chớnh trong 1/P chu kỳ cuối cựng. Sau khi cỏc node chớnh được lựa chọn, cỏc node này sẽ thụng bỏo tới tất cả cỏc node cảm biến trong mạng rằng chỳng là cỏc node chớnh mới. Cỏc node khỏc, khụng phải là node chớnh khi nhận được thụng bỏo này, chỳng sẽ lựa chọn nhúm mà chỳng sẽ tham dự theo cường độ tớn hiệu của
thụng bỏo từ cỏc node chớnh đến cỏc node này. Cỏc node cảm biến này sẽ khai bỏo với node chớnh thớch hợp rằng chỳng sẽ là thành viờn của nhúm. Sau khi thu thập được tất cả
cỏc bản tin từ cỏc node muốn gia nhập nhúm và dựa trờn số lượng cỏc node thành viờn của nhúm, node chớnh sẽ tạo ra một biểu thời gian TDMA, và cấp cho mỗi node một khe
thời gian khi nú truyền phỏt. Và mỗi node chớnh cũng lựa chọn ra một mó CDMA, phõn bố đều cho tất cả cỏc node thành viờn, để giảm xung đột giữa cỏc node trong và ngoài
cluster. Mó được lựa chọn cẩn thận để giảm can nhiễu giữa cỏc cluster.
Trong giai đoạn ổn định trạng thỏi, cỏc node cảm biến bắt đầu truyền số liệu tới cỏc node chớnh. Cỏc node chớnh sau khi nhận tất cả số liệu từ cỏc node trong nhúm thỡ nú tiến hành tập hợp cỏc số liệu này trước khi gửi đến trạm gốc. Sau một khoảng thời gian xỏc định nào đú được xỏc định trước, mạng sẽ quay trở lại trạng thỏi thiết lập và bắt đầu một vũng lựa chọn cỏc node chớnh mới.
LEACH cung cấp một mụ hỡnh tốt mà cỏc thuật toỏn nội bộ và tập hợp dữ liệu cú thể được thực hiện trong cỏc node chớnh được lựa chọn một cỏch ngẫu nhiờn. Điều này làm giảm quỏ tải thụng tin và cung cấp một tập hợp cỏc số liệu tin cậy cho người sử dụng cuối cựng. LEACH gúp phần giảm đỏng kể năng lượng tiờu thụ và kộo dài thời gian hơn của mạng cảm biến so với trường hợp mạng gồm cỏc nhúm cố định.
Tuy nhiờn, LEACH cú một số nhược điểm sau :
LEACH chưa xỏc định cụ thể được số lượng tối ưu của cỏc node chớnh của mạng khi mà cỏc mạng cú cấu hỡnh, mật độ và số lượng node khỏc nhau.
Chưa cú gợi ý về khi nào thỡ việc tỏi tạo lại cỏc node chớnh cần được thực hiện.
Cỏc node chớnh ở xa trạm gốc sẽ tiờu thụ nhiều năng lượng hơn và nhanh chúng dừng hoạt động hơn cỏc node khỏc.
Tất cả cỏc node cú thể kết nối với trạm gốc qua một chặng cú thể khụng khả thi vỡ khả năng và năng lượng cung cấp cho cỏc node thay đổi theo thời gian.
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
Khoảng thời gian của pha ổn định trạng thỏi cú ảnh hưởng lớn đến năng lượng tiờu thụ. Nếu như thời gian ổn định trạng thỏi ngắn cú thể làm tăng overhead (chi phớ cho điều khiển giao thức), cũn nếu thời gian ổn định trạng thỏi kộo dài thỡ lại làm năng lượng của cỏc node bị sụt giảm nhanh chúng. Nhiều giao thức đó được đưa ra để cải tiến LEACH. Giao thức XLEACH (extended LEACH) xem xột đến mức năng lượng của node trong quỏ trỡnh lựa chọn node chớnh. Theo đú, mức ngưỡng T(n) được lựa chọn như sau :
Trong đú, En,current là năng lượng hiện tại, En,max là năng lượng ban đầu của node, rn,s là số vũng liờn tiếp mà node khụng được làm node chớnh. Khi giỏ trị rn,s đạt đến 1/P, ngưỡng T(n) trở lại giỏ trị nú cú trước khi xột đến năng lượng cũn lại trong biểu thức tớnh T(n),rn,s trở về 0 khi một node trở thành node chớnh.
Yờu cầu năng lượng trong LEACH phõn bố đều cho tất cả cỏ node bởi vỡ chỳng đúng vai trũ như nhau trong việc lựa chọn node chớnh. LEACH là một thuật toỏn phõn bố và khụng yờu cầu thụng tin điều khiển từ trạm gốc, quản lý thụng tin cục bộ khụng cần cỏc thụng tin chung của toàn mạng. Cỏc kết quả mụ phỏng cho thấy so với cỏc giao thức định tuyến truyền thống như định tuyến đa chặng và định tuyến trực tiếp, định tuyến năng lượng tối thiểu, và giải thuật định tuyến phõn nhúm tĩnh.
4.2.4 PEGASIS (Power – Efficient gathering in Sensor Information System)
Giao thức tập trung hiệu quả cụng suất trong hệ thống thụng tin cảm biến PEGASIS thực hiện hai nhiệm vụ sau:
Kộo dài thời gian sống cho mạng, đồng bộ năng lượng tại tất cả cỏc node mạng.
Giảm độ trễ cỏc gúi dữ liệu gửi đến trạm gốc.
PEGASIS được ứng dụng trong mụ hỡnh mạng gồm cỏc node phõn bố đồng nhất trờn một khu vực và cỏc node này biết được thụng tin chung của cỏc node khỏc trong mạng. Hơn nữa cỏc node cũn cú khả năng điều khiển cụng suất và bao phủ một vựng địa lý tựy ý. Cỏc node này cũng được hỗ trợ một bộ thu phỏt súng hỗ trợ CDMA. Mục tiờu của giao thức định tuyến này là giảm năng lượng tiờu thụ và truyền
Lờ Thị Thanh Huyền 10A-ĐTVT-VH
dữ liệu thu thập được từ cỏc node đến trạm gốc với độ trễ truyền dẫn nhỏ nhất trong khi vẫn cõn bằng sự tiờu thụ cụng suất giữa cỏc node trong mạng. Khỏc với những giao thức khỏc dựa trờn cấu trỳc mạng hỡnh cõy hay phõn chia cluster, PEGASIS dựng cấu trỳc chuỗi.
Dựa trờn mụ hỡnh này, cỏc node sẽ liờn lạc với node lõn cận gần nú nhất. Cấu trỳc chuỗi bắt đầu từ node xa trạm gốc nhất, cỏc node mạng được thờm dần vào chuỗi làm chuỗi lớn dần lờn cho đến khi tất cả cỏc node đều nằm trong chuỗi, bắt đầu từ node lõn cận gần node cuối nhất. Để xỏc định cỏc node gần nhất, node dựa trờn độ mạnh tớn hiệu để đo khoảng cỏch đến tất cả cỏc node gần nú và node sẽ điều chỉnh cụng suất phỏt sao cho chỉ cú cỏc node lõn cận gần nhất nghe thấy được. Một node trong chuỗi được chọn làm node chớnh trong một vũng, Node cú nhiệm vụ thu thập dữ liệu từ cỏc node khỏc và gửi đến trạm gốc. Sự luõn phiờn vai trũ node chớnh trong mỗi chuỗi đảm bảo sự cõn bằng cụng suất tiờu thụ giữa cỏc node. Chu kỳ của một node chớnh được quản lý bởi trạm và việc chuyển trạng thỏi từ vũng này đến vũng tiếp theo cú thể được khởi tạo bởi việc đưa ra dấu hiệu cụng suất cao bởi trạm gốc. Việc quay vũng node chớnh trong mỗi chuỗi đảm bảo sự cụng bằng cụng suất tiờu thụ giữa cỏc node. Tuy nhiờn cũng cần chỳ ý rằng việc thay đổi node chớnh rời xa trạm cơ sở, khi đú node này lại cần yờu cầu cụng suất cao để truyền đến trạm cơ sở.
Một hỡnh thức tập hợp dữ liệu đơn giản nhất, quỏ trỡnh tập trung dữ liệu dọc theo chuỗi. Đầu tiờn, node chớnh của chuỗi sẽ gửi một thẻ bài tới node cuối cựng bờn phải của chuỗi. Khi nhận được tớn hiệu này node cuối sẽ gửi dữ liệu nú thu thập được