Trong mạng tựy biến khụng dõy, cỏc nỳt mạng luụn phải đúng gúp vào việc duy trỡ mạng chung (đúng vai trũ server hoặc nỳt chuyển tiếp dữ liệu cho nỳt khỏc). Điều này làm tiờu hao năng lượng của nỳt mạng và làm chậm tốc
độ xử lý của nỳt mạng đú. Vỡ vậy, một tiờu chớ rất quan trọng để lựa chọn giao thức quản lý topology là tớnh cỏ nhõn của cỏc nỳt mạng.
Trường hợp tớnh cỏ nhõn của mỗi nỳt mạng cao: Nghĩa là cỏc nỳt mạng cú vai trũ tương đương nhau và ứng dụng cần tụn trọng đũi hỏi về tớnh cụng bằng giữa cỏc nỳt mạng. Vớ dụ như trong một mạng khụng dõy tựy biến được thiết lập tự phỏt ở những khu vực cụng cộng như trờn xe buýt, trong nhà chờ
tàu hỏa ... Khi đú sẽ là vụ lý nếu như một vài nỳt mạng liờn tục phải đúng vai trũ làm server hoặc làm nỳt chuyển tiếp và nhanh chúng bị cạn kiệt năng lượng trong khi cỏc nỳt mạng khỏc chỉ download file mà khụng đúng gúp gỡ vào việc duy trỡ mạng chung. Trong trường hợp này, việc sử dụng thuật toỏn dựa trờn tớnh cụng bằng hoặc thuật toỏn dựa trờn độ phổ biến (nếu cú thể
thống kờ được độ phổ biến của file chia sẻ trong mạng) là hoàn toàn hợp lý. Trường hợp tớnh cỏ nhõn của cỏc nỳt mạng thấp: Nghĩa là cỏc nỳt mạng
được quản lý chung bởi một cỏ nhõn hay tổ chức, hoặc cựng hợp tỏc với nhau
để thực hiện mục đớch nào đú. Khi đú để gia tăng thời gian hoạt động và thời duy trỡ kết nối của mạng, những nỳt mạng mức năng lượng cao hơn cần đúng gúp nhiều hơn vào việc duy trỡ mạng chung so với nỳt mạng cú năng lượng thấp. Như vậy, thuật toỏn dựa trờn mức năng lượng là thớch hợp trong tỡnh huống này.
Cỏc đề xuất về việc sử dụng cỏc thuật toỏn xõy dựng tập liền kề được túm tắt trong bảng 2.8 dưới đõy:
Bảng 2.8: Đề xuất sử dụng cỏc thuật toỏn xõy dựng tập liền kề
Tớnh cỏ nhõn của nỳt mạng Thuật toỏn dựa trờn tớnh cụng bằng Thuật toỏn dựa trờn độ phổ biến Thuật toỏn dựa trờn năng lượng Cao Nờn sử dụng Nờn sử dụng Khụng nờn sử dụng Thấp Khụng nờn sử dụng Khụng nờn sử dụng Nờn sử dụng
CHƯƠNG 3 - QUẢN Lí VIỆC BẬT TẮT NÚT MẠNG
3.1. Giới thiệu
Với sự phỏt triển nhanh chúng của cỏc nền tảng tớnh toỏn di động và thiết bị khụng dõy, cỏc mạng khụng dõy tựy biến ngày càng được quan tõm nhiều hơn như một phương thức truyền truyền số liệu giữa cỏc thiết bị mà khụng cần quan tõm đến địa điểm vật lý của chỳng. Tuy nhiờn cỏc thiết bị khụng dõy thường hoạt động dựa trờn những nguồn điện di động như pin, acquy, và việc quản lý nguồn điện đó trở thành một vấn đề cốt yếu trong việc duy trỡ cỏc ứng dụng cho mạng khụng dõy tựy biến. Theo cỏc quan sỏt và thống kờ thực tế, cỏc thiết bị khụng phải lỳc nào cũng truyền nhận dữ liệu, mà phần lớn thời gian chỳng ở trạng thỏi nghỉ (idle), ở trạng thỏi này nỳt mạng khụng truyền nhận tớn hiệu nhưng luụn sẵn sàng cho việc truyền nhận đú. Kết quả thớ nghiệm cho thấy, khi ở trạng thỏi nghỉ, cỏc thiết bị vẫn tiờu tốn khỏ nhiều năng lượng (Chỉ ớt hơn một chỳt so với khi truyền nhận dữ liệu). Như vậy, một vấn đề lớn đặt ra để giảm mức tiờu thụ năng lượng trong mạng khụng dõy tựy biến là đưa cỏc nỳt vào chế độ ngủ (sleep mode) trong thời gian lớn nhất cú thể. Trong chếđộ này, bộ phận vi mạch thu phỏt súng radio được tắt đi và nỳt mạng tiờu thụ năng lượng ở mức thấp nhất.
Hầu hết cỏc thiết bị khụng dõy hiện nay, trong đú bao gồm cả cỏc thiết bị bluetooth và card mạng hỗ trợ chuẩn giao thức IEEE 802.11, đều cú thể hoạt động ở cỏc chế độ tiờu thụ năng lượng khỏc nhau trong đú cú chế độ ngủ.
Như vậy, bài toỏn đặt ra là thiết lập một cơ chếđể chuyển cỏc nỳt mạng về trạng thỏi ngủ và chuyển chỳng trở lại trạng thỏi hoạt động nhằm tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn đảm bảo được kết nối của mạng.
3.2. Phõn loại
Tớnh đến thời điểm hiện tại, những nghiờn cứu về cơ chế bật tắt cỏc nỳt mạng cú thể chia thành 3 loại: Cơ chế bật tắt theo yờu cầu, cơ chế bật tắt đồng bộ, và cơ chế bật tắt khụng đồng bộ.
Cơ chế bật tắt theo yờu cầu (on-demand wakeup mechanism): Trong
cơ chế này, một nỳt mạng ở trạng thỏi hoạt động cú thể “đỏnh thức” một nỳt mạng ở trạng thỏi ngủ. Để thực hiện điền này, nỳt mạng đang ở trạng thỏi hoạt
động gửi đến nỳt mạng đang ở trạng thỏi ngủ một tớn hiệu cú tần số đặc biệt. Tuy nhiờn, hiện tại chỉ cú một số ớt cụng nghệ đỏp ứng được việc truyền tớn hiệu cú tần số đặc biệt như vậy (VD: cụng nghệ RFID). Vỡ vậy, phương phỏp này khụng thớch hợp cho cỏc thiết bị di động thụng dụng.
Cơ chế bật tắt đồng bộ (synchronous wakeup mechanism): Trong cơ
chế này, tất cả cỏc nỳt mạng được chuyển về trạng thỏi ngủ và được “đỏnh thức” một cỏch định kỳ theo cựng một lịch bật tắt giống nhau. Đõy là cơ chế được sử dụng trong chếđộ Power Saving Mode (PSM) của IEEE 802.11. Yờu cầu đặt ra khi thực hiện cơ chế này là phải đồng bộ húa đồng hồ trờn tất cả cỏc nỳt mạng. Do đú, cơ chế này chỉ thớch hợp với cỏc mạng tĩnh single-hop, tại
đú tất cả cỏc nỳt mạng đều cú thể nhận được tớn hiệu của nhau và cỏc nỳt mạng đứng yờn. Cũn trong mạng tựy biến multi-hop , việc đồng bộ húa đồng hồ trờn cỏc nỳt mạng là khụng thược hiện được [10] do tớnh phõn tỏn và chuyển động của cỏc nỳt mạng.
Cơ chế bật tắt khụng đồng bộ (asynchronous wakeup mechanism):
Trong cơ chế này, cỏc nỳt mạng khụng cần đồng bộ húa tớn hiệu đồng hồ với nhau. Thay vào đú, mỗi nỳt mạng tuõn theo lịch bật tắt của riờng nú, nhưng vẫn đảm bảo rằng những nỳt mạng lõn cận nhau cú cỏc khoảng thời gian “thức” trựng với nhau. Như vậy, cơ chế bật tắt khụng đồng bộ dễ triển khai và
được xem là thớch hợp nhất đối với cỏc mạng khụng dõy tựy biến thụng dụng. Do đú, phần tiếp theo sẽ đi sõu phõn tớch và đỏnh giỏ một số giao thức tiờu biểu để thiết lập cơ chế bật tắt khụng đồng bộ.
3.3. Một số giao thức bật tắt khụng đồng bộ
Một tiờu chớ quan trọng và cú ảnh hưởng lớn đến ứng dụng của mạng khụng dõy tựy biến là tớnh đứng yờn hay chuyển động của cỏc nỳt mạng. Dựa trờn tiờu chớ này, nhiều giao thức bật tắt nỳt mạng đó được đề xuất. Trong đú, một số giao thức chỉ phự hợp với trường hợp cỏc nỳt mạng đứng yờn, cũn một số giao thức cú thể ỏp dụng cho cả trường hợp cỏc nỳt mạng chuyển động. Vỡ vậy, trong phần 3.3.1, ta sẽ phõn tớch giao thức RAW là giao thức tiờu biểu cho trường hợp nỳt mạng đứng yờn và phần 3.3.2, 3.3.3 sẽ phõn tớch giao thức AWP và CAW là những giao thức tiờu biểu cho trường hợp nỳt mạng chuyển
động (Trong đú giao thức CAW cú xột thờm yếu tố thúi quen của người dựng tại cỏc nỳt mạng để tối ứu húa hiệu năng của mạng).
3.3.1. Giao thức RAW
3.3.1.1. Mụ tả giao thức
Giao thức RAW [22] bao gồm 2 thành phần: Xỏc định tập cỏc nỳt chuyển tiếp và phối hợp bật tắt cỏc nỳt mạng
Trong cỏc giao thức tỡm đường thụng thường, đường đi ngắn nhất giữa 2 nỳt được tớnh toỏn trước và nỳt mạng sẽ chỉ chuyển tiếp gúi tin đến nỳt tiếp theo trờn đường đi đú. Tuy nhiờn, đối với mạng cú mật độ nỳt mạng lớn thỡ ngoài đường đi ngắn nhất thỡ giữa 2 nỳt mạng sẽ tồn tại rất nhiều đường đi khỏc cú độ dài gần với đường đi ngắn nhất đú. í tưởng của giao thức RAW là tận dụng cả những đường đi gần với đường đi ngắn nhất để chuyển tiếp cỏc gúi tin đến nỳt đớch mà khụng làm gia tăng đỏng kể độ trễ so với việc chỉ
dựng đường đi ngắn nhất. Nhờ đú, cơ chế bật tắt nỳt mạng sẽ cho phộp nỳt mạng chỉ hoạt động trong một khoảng thời gian cố định được chọn ngẫu nhiờn trong một time frame, cũn ngoài khoảng thời gian này thỡ nỳt mạng ở
trạng thỏi ngủ.
Xỏc định tập cỏc nỳt chuyển tiếp:
RAW đưa ra khỏi niệm tập cỏc nỳt lõn cận và tập cỏc nỳt chuyển tiếp như sau: • Tập nỳt mạng lõn cận của nỳt mạng i là tập cỏc nỳt mạng nằm trong giới hạn truyền tớn hiệu của nỳt i
• Tập cỏc nỳt chuyển tiếp của nỳt mạng i đối với một nỳt đớch nào đú là tập cỏc nỳt thuộc lõn cận của nỳt i và cú tiềm năng chuyển tiếp gúi tin đến nỳt
đớch. RAW đưa ra 2 phương phỏp để xỏc định tập chuyển tiếp như sau:
Phương phỏp xỏc đinh tập chuyển tiếp dựa trờn số nỳt trờn đường đi giữa nỳt nguồn và nỳt đớch (Hop based Forwarding Candidate Set (h-FCS)):
Đối với một nỳt nguồn s và nỳt đớch d, một nỳt k là lõn cận của nỳt s sẽ thuộc h-FCS nếu: ∆ + < ( , ) ) , (k d H s d H
Trong đú: H(i,j) là số nỳt của đường đi ngắn nhất giữa nỳt i và nỳt j. Khi ∆=0thỡ đường đi ngắn nhất giữa nỳt s và nỳt d đi qua nỳt k
Khi ∆ >2 thỡ tất cả cỏc nỳt lõn cận của s đều thuộc h-FCS, bởi lẽ với bất cứ nỳt lõn cận k nào của nỳt s, luụn tồn tại đường đi s→k→s....→dvới số
nỳt trờn đường đi là H(s,d)+2.
Việc xỏc định tập chuyển tiếp theo phương phỏp này đũi hỏi mỗi nỳt mạng phải biết trước đường đi ngắn nhất đến tất cả cỏc nỳt khỏc trong mạng. Ngoài ra, trong trường hợp ∆ >0 phương phỏp này khụng đảm bảo sẽ chuyển
thành cụng gúi tin đến nỳt đớch. Bởi lẽđường đi tới nỳt đớch của 2 nỳt lõn cận cú thể bằng nhau.
Phương phỏp xỏc đinh tập chuyển tiếp dựa trờn khoảng cỏch (Distance based Forwarding Candidate Set (d-FCS)):
Đối với mỗi nỳt nguồn s và nỳt đớch d, một nỳt k là lõn cận của nỳt s sẽ thuộc d-FCS nếu Th d s D d k D( , )< ( , )−
Trong đú D(i,j) là khoảng cỏch địa lý giữa nỳt i và nỳt j. Như vậy, nếu một nỳt lõn cận k gần nỳt đớch hơn so với nỳt s một khoảng ớt nhất là Th thỡ k sẽ thuộc tập chuyển tiếp.
Phương phỏp này đảm bảo rằng sẽ khụng xảy ra vũng lặp trờn đường đi từ nỳt nguồn đến nỳt đớch, bởi vỉ mỗi nỳt mạng luụn chuyến tiếp gúi tin đến nỳt mạng gần nỳt đớch hơn so với chớnh nú. Tuy nhiờn, nú cũng khụng đảm bảo sẽ chuyển tiếp được gúi tin đến đớch, do cú thể tồn tại cỏc khoảng trống giữa cỏc nỳt. Tuy nhiờn trong một mạng cú mật độ lớn thỡ cú thể giả thiết rằng cỏc khoảng trống này khụng tồn tại.
Phối hợp bật tắt cỏc nỳt mạng
í tưởng của phương phỏp là cho nỳt mạng chuyển sang trạng thỏi hoạt
động 1 lần trong một time frame, sau đú lại chuyển nỳt mạng về trạng thỏi ngủ. Khoảng thời gian nỳt mạng ở trạng thỏi hoạt động là cho trước. Cụ thể, ta xột time frame cú độ dài T và khoảng thời gian nỳt mạng ở trạng thỏi hoạt
động là Ta<T. Như vậy, nếu cú m nỳt trong tập chuyển tiếp của nỳt S khi chuyển gúi tin đến nỳt D thỡ xỏc suất để ớt nhất 1 trong cỏc nỳt trờn đang ở
trạng thỏi hoạt động khi S đang hoạt động được tớnh theo cụng thức sau
m a T T P ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − =1 1 2
Hỡnh 3.1 dưới đõy biểu diễn xỏc suất trờn với cỏc giỏ trị Ta khỏc nhau
Hỡnh 3.1: Xỏc suất để cú ớt nhất 1 nỳt trong tập chuyển tiếp của nỳt
s ở trạng thỏi hoạt động khi nỳt s hoạt động
Cỏc tớnh toỏn cho thấy, ngay cả với giỏ trị Ta nhỏ (15%) thỡ với 10 nỳt mạng trong tập lõn cận, xỏc suất trờn cũng đạt tới hơn 82%. Như vậy mặc dự cỏc nỳt được bật lờn một cỏch ngẫu nhiờn trong thời gian Ta nhưng xỏc suất
để gúi tin được chuyển tới nỳt đớch vẫn rất cao.
3.3.1.2. Triển khai giao thức
Phỏt hiện nỳt mạng lõn cận
Khi một nỳt mạng chuyển từ trạng thỏi ngủ sang trạng thỏi hoạt động, nú broacast một message thụng bỏo trong đú chứa id và thời điểm bắt đầu của phiờn hoạt động của nú. Để triển khai giao thức, mỗi nỳt cần lưu giữ một danh sỏch cỏc nỳt mạng lõn cận, trong đú mỗi phần tử của danh sỏch cú cỏc trường thụng tin sau.
Hỡnh 3.2: Cỏc trường thụng tin cần lưu trữ về nỳt mạng lõn cận
của giao thức AWP
Khi phỏt hiện ra một nỳt lõn cận mới, nỳt mạng sẽ tự thờm một phần tử
vào danh sỏch trờn.
Chuyển tiếp cỏc gúi tin
Khi nỳt mang i cú một gúi tin cần chuyển đến nỳt d, nú lựa chon nỳt k trong danh sỏch cỏc nỳt lõn cận của nú sao cho nỳt k gần với nỳt d nhất trong số tất cả cỏc nỳt lõn cận đang hoạt động của i, và phải gần nỳt d hơn so với bản thõn nỳt i một khoảng ớt nhất là Th. Giỏ trị ngưỡng Th được chọn một cỏch thớch hợp.
3.3.1.3. Đỏnh giỏ giao thức
Để đỏnh giỏ hiệu năng giao thức, cỏc tỏc giả đó đưa ra mụi trường giả
lập để thử nghiệm giao thức RAW bao gồm 25 nỳt mạng, gửi dữ liệu đến cho nhau một cỏch ngẫu nhiờn với tốc độ 2 packet/giõy và cứ 5 giõy gửi 1 lần. Khu vực giả lập là 5Rx5R, trong đú R là bỏn kớnh truyền tớn hiệu của cỏc nỳt mạng. Mỗi gúi dữ liệu cú kớch thước 64 byte bao gồm 12 bytes header, nghĩa là độ dài của thụng bỏo và cỏc thụng tin điều khiển nằm trong 12 bytes này. Cỏc nỳt được triển khai với mật độ phõn tỏn đồng đều nhau. Việc tiờu thụ
năng lượng khi chuyển từ chế độ hoạt động sang chế độ ngủ và ngược lại
được xem là khụng đỏng kể.
Khi đú, hiệu năng của RAW được đỏnh giỏ dựa trờn cỏc metric sau: • Mức độ tiờu thụ năng lượng của cỏc nỳt mạng
• Độ trễ của cỏc gúi tin (Thời gian từ lỳc gúi tin được phỏt ra từ nỳt nguồn đến lỳc gúi tin tới nỳt đớch)
Đồ thị hỡnh 3.3 biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ lệ gúi tin được gửi thành cụng với tỷ lệ phần trăm khoảng thời gian nỳt mạng ở trạng thỏi hoạt động. Tỷ lệ thấp nhất trong khu vực cú mật độ 10 nỳt mạng / R*R luụn lớn hơn 95%. Đồ thị cũng cho thấy RAW cú thể mở rộng nếu như giữ nguyờn mật độ
nỳt mạng.
Hỡnh 3.3: Sự phụ thuộc giữa tỷ lệ gúi tin được gửi thành cụng với
tỷ lệ phần trăm thời gian hoạt động của nỳt
Đồ thị hỡnh 3.4 biểu diễn sự phụ thuộc của độ trễ của gúi tin vào tỷ lệ
phần trăm khoảng thời gian nỳt mạng ở trạng thỏi hoạt động. Thời gian hoạt
động của nỳt càng dài thỡ độ trễ sẽ càng nhỏ, và xỏc suất một nỳt tỡm được nỳt lõn cận phự hợp để chuyển tiếp gúi tin sẽ càng lớn.
Hỡnh 3.4: Sự phụ thuộc giữa độ trễ của gúi tin với tỷ lệ phần trăm
thời gian hoạt động của nỳt
Đồ thị hỡnh 3.5 biểu diễn năng lượng tiờu thụ của 1 nỳt mạng theo thời gian, và hỡnh 3.6 biểu diễn tổng năng lượng tiờu thụ của mạng trong 300 giõy.
Hỡnh 3.6: Tổng năng lượng tiờu thụ của mạng trong 300 s
Kết quả giả lập trờn cho thấy khi sử dụng RAW mạng tiờu thụ năng