Mô hình dữ liệu miêu tả dòng di chuyển thông tin giữa các nút cảm biến và bộ thu dữ liệu. Các mô hình này thƣờng phụ thuộc vào bản chất của ứng dụng về khía cạnh cách thức yêu cầu và sử dụng dữ liệu. Các mô hình dữ liệu sử dụng cho các ứng dụng cảm biến phải đáp ứng nhu cầu thu thập dữ liệu và yêu cầu tƣơng tác. Một số các ứng dụng cảm biến yêu cầu các mô hình thu thập dữ liệu dựa trên quá trình lấy mẫu định kỳ hoặc đƣợc điều khiển bởi sự xuất hiện của các sự kiện nào đó. Trong một số ứng dụng khác, dữ liệu có thể đƣợc thu thập và lƣu lại, sau đó có thể đƣợc xử lý và tập hợp lại bởi một nút cảm biến trƣớc khi đƣợc chuyển tiếp tới bộ thu. Cũng có những ứng dụng yêu cầu các mô hình dữ liệu hai chiều, nghĩa là phải đảm bảo tƣơng tác hai chiều giữa các cảm biến và bộ thu dữ liệu.
Yêu cầu phải hỗ trợ nhiều dạng mô hình dữ liệu làm tăng độ phức tạp trong việc thiết kế các giao thức định tuyến. Tối ƣu hóa giao thức định tuyến cho các yêu cầu dữ liệu nào đó của một ứng dụng trong khi phải cung cấp đa dạng các mô hình dữ liệu và đảm bảo hiệu suất cao nhất (về khả năng mở rộng, độ tin cậy, khả năng đáp ứng và hiệu quả năng lƣợng) trở thành một thách thức lớn trong kỹ thuật định tuyến.
4.3.3 Các chiến lược định tuyến trong WSN
Định tuyến trong mạng cảm biến không dây gặp khó khăn lớn là tạo sự cân bằng giữa độ nhạy và tính hiệu quả. Sự cân bằng giữa đặc tính giới hạn khả năng xử lý và thông tin của các nút cảm biến với phần chi phí cần thiết. Trong mạng cảm biến không dây, chi phí cho quản lý (overhead) đƣợc tính dựa trên băng thông sử dụng, công suất tiêu thụ và yêu cầu xử lý
144
nút di động. Vì nếu chi phí quản lý quá lớn gây lãng phí năng lƣợng, băng thông, thời gian xử lý, tăng độ trễ gói tại nút nhƣng chất lƣợng dữ liệu tốt hơn. Ngƣợc lại, chi phí quản lý nhỏ thì thời gian xử lý, băng thông, độ trễ thấp, tuy nhiên chất lƣợng có thể giảm. Thách thức của giao thức định tuyến chính là tìm ra giải thuật để cân bằng những yêu cầu này.
Nhìn chung, nếu dựa trên cấu trúc mạng, định tuyến trong WSN có thể đƣợc chia thành các dạng:
Định tuyến ngang hàng (flat-based routing): Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các nút thƣờng có vai trò hoặc chức năng nhƣ nhau. Dạng này dành cho kiến trúc mạng phẳng, trong đó tất cả các nút xem nhƣ cùng cấp. Kiến trúc phẳng có nhiều lợi ích nhƣ tối thiểu chi phí để xây dựng hạ tầng mạng và có khả năng tìm ra nhiều đƣờng liên lạc giữa các nút với sai số cho phép.
Định tuyến phân cấp (hierarchical-based routing): Trong định tuyến phân cấp, các nút sẽ có các vai trò khác nhau trong mạng. Dạng thứ hai này dùng trong mạng có cấu trúc tiết kiệm năng lƣợng, ổn định và khả năng mở rộng. Các nút mạng đƣợc sắp xếp vào các cụm, trong đó một nút có năng lƣợng lớn nhất đóng vai trò cụm chủ (cluster head). Cụm chủ có trách nhiệm phối hợp các hoạt động giữa các nút trong cụm và chuyển thông tin giữa các cụm. Việc phân cụm giảm năng lƣợng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng.
Định tuyến theo vị trí (location-based routing): Trong định tuyến theo vị trí, vị trí của các nút cảm biến sẽ đƣợc khai thác để thiết kế tuyến truyền dữ liệu trong mạng. Định tuyến theo vị trí rất hữu ích cho các ứng dụng mà vị trí của nút trong một vùng địa lý của mạng liên quan đến yêu cầu của nút nguồn. Yêu cầu có thể là xác định vùng diện tích cụ thể nơi có thể xảy ra một hiện tƣợng mà nút nguồn quan tâm hoặc xác định vùng lân cận của một điểm cụ thể trong môi trƣờng mạng.
Nếu dựa trên hoạt động giao thức, định tuyến trong WSN có thể đƣợc phân thành các dạng:
Định tuyến đa đƣờng (multipath-based): sử dụng đồng thời nhiều tuyến để truyền dữ liệu.
Định tuyến theo yêu cầu (query-based): nút có nhu cầu nhận dữ liệu sẽ gửi yêu cầu, khởi xƣớng quá trình truyền tin.
Định tuyến theo thỏa thuận (negotiation-based): các nút sẽ truyền dữ liệu thỏa thuận trƣớc khi thiết lập tuyến.
Định tuyến theo chất lƣợng dịch vụ (QoS-based): giao thức định tuyến phải đáp ứng các yêu cầu nhất định về chất lƣợng dịch vụ.
Định tuyến nhất quán (coherent-based): chỉ thực hiện tối thiểu các hoạt động xử lý trong mạng.
Tùy thuộc vào cách thức nút nguồn tìm đƣợc tuyến đƣờng truyền tới nút đích, các giải thuật định tuyến cũng có thể đƣợc chia thành ba dạng: proactive, reactive và hybrid.
Proactive (khởi tạo trƣớc): còn gọi là table driven, dựa trên sự phân phát theo chu kỳ thông tin định tuyến để đạt đƣợc các bảng định tuyến nhất quán và chính xác đến tất
145
cả các nút của mạng. Cấu trúc mạng có thể là phẳng hay phân cấp. Dùng phƣơng pháp này cho cấu trúc phẳng có khả năng tìm ra đƣợc đƣờng đi tối ƣu.
Reactive (phản ứng): xây dựng tuyến đến một đích đến nào đó theo nhu cầu. Giải thuật này thƣờng không xây dựng thông tin chung đi qua tất cả các nút của mạng. Do đó chúng dựa trên định tuyến động để tìm ra đƣờng đi từ nguồn đến đích. Giải thuật định tuyến reactive thay đổi theo cách mà chúng điều khiển quá trình flooding để giảm thông tin chi phí quản lý và cách các tuyến đƣợc tính toán và xây dựng lại khi liên kết không thực hiện đƣợc.
Hybrid (hỗn hợp): dựa trên cấu trúc mạng để tạo tính ổn định và khả năng mở rộng cho mạng có kích thƣớc lớn. Trong những giải thuật dạng này, mạng đƣợc phân chia thành các cụm (cluster). Do số lƣợng lớn và tính di động, mạng có đặc tính động khi các nút vào hay tách ra khỏi các cụm. Giải thuật định tuyến hybrid có thể đƣợc dùng theo mô hình định tuyến proactive đƣợc dùng cho bên trong các cụm và định tuyến reactive dùng liên kết giữa các cụm.
Sơ đồ phân loại các kỹ thuật định tuyến đƣợc minh họa trong hình 4.5.
Hình 4.5. Phân loại các kỹ thuật định tuyến
Chi phí quản lý giao thức định tuyến thƣờng tăng nhanh khi tăng kích thƣớc và đặc tính động của mạng. Chi phí lớn có thể chiếm một phần lớn tài nguyên mạng. Hơn nữa, các giao thức định tuyến truyền thống trong những mạng lớn yêu cầu sự liên kết thực giữa các nút. Việc dùng những kỹ thuật này làm tăng chi phí cho định tuyến và thời gian hội tụ. Thực tế mặc dù các kỹ thuật định tuyến truyền thống thích hợp hoạt động trong môi trƣờng mạng mà khả năng tính toán và thông tin của các nút mạng khá tốt, nhƣng hiệu quả của các kỹ thuật này bị hạn chế với mạng cảm biến không dây. Do đó, các kỹ thuật định tuyến mới cho mạng cảm biến phải có đƣợc sự cân bằng giữa tính tối ƣu và hiệu quả hoạt động.
Thiết kế các giao thức định tuyến của mạng cảm biến không dây phải xem xét đến công suất và tài nguyên hạn chế của các nút mạng, đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền vô tuyến và khả năng trễ hay mất gói.
Một giao thức định tuyến đƣợc coi là có tính thích nghi nếu các thông số hệ thống nhất định có thể đƣợc điều khiển để thích ứng với các điều kiện mạng hiện thời và các mức năng lƣợng hiện có.
146
Phần tiếp theo sẽ giới thiệu một số các giao thức định tuyến tiêu biểu.
4.3.4 Định tuyến ngang hàng a. Giao thức Flooding a. Giao thức Flooding
Flooding là một kỹ thuật chung, thƣờng dùng trong phát tán thông tin và tìm đƣờng trong mạng có dây và không dây ad hoc. Chiến thuật định tuyến đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng tốn kém và thuật toán tìm đƣờng phức tạp. Flooding dùng phƣơng pháp phản ứng lại. Khi mỗi nút nhận đƣợc một gói điều khiển hay dữ liệu, nó sẽ gửi đến tất cả các nút xung quanh nó. Sau khi truyền, một gói đi theo tất cả các đƣờng có thể đƣợc. Nếu không bị mất kết nối, gói tin sẽ đến đích. Hơn nữa, khi cấu hình mạng thay đổi, việc truyền gói sẽ theo những tuyến mới. Hình 4.6 minh họa quy ƣớc flooding trong mạng. Flooding dạng đơn giản nhất có thể làm các gói bị sao chép lại một cách không giới hạn khi đi qua các nút mạng.
Hình 4.6. Flooding gói dữ liệu trong mạng thông tin
Để ngăn chặn một gói tin đi lòng vòng không xác định trong mạng, một trƣờng gọi là
hop count (số bƣớc nhảy cực đại) đƣợc thêm vào gói. Đầu tiên, hop count đƣợc đặt giá trị xấp xỉ đƣờng kính mạng. Khi gói đi qua mạng, giá trị này giảm đi 1 sau mỗi bƣớc nhảy (một bƣớc nhảy đƣợc tính là một lần truyền từ nút này sang nút khác). Khi giá trị này về 0, gói tin sẽ bị hủy. Một cách tƣơng tự đƣợc dùng là thêm vào trƣờng time-to-live (thời gian sống). Trƣờng này ghi lại thời gian mà gói tin đƣợc phép tồn tại trong mạng. Khi hết thời gian này, gói không đƣợc truyền đi nữa. Flooding có thể đƣợc cải tiến bằng cách xác nhận gói dữ liệu duy nhất, mỗi nút mạng sẽ bỏ đi các gói đã nhận rồi.
Mặc dù kỹ thuật định tuyến Flooding có quy luật hoạt động đơn giản, phù hợp với cấu hình mạng có chi phí thấp, nhƣng kỹ thuật này gặp nhiều bất lợi khi áp dụng cho mạng cảm biến không dây. Nhƣợc điểm đầu tiên của flooding là gặp phải vấn đề bùng nổ lƣu lƣợng tại một nút (traffic implosion). Nhƣ mình họa trên hình 4.7, hiện tƣợng không mong muốn gây ra do bản sao của cùng một gói tin đƣợc gửi đến cùng một nút tại một thời điểm.
147
Hình 4.7. Hiện tƣợng bùng nổ lƣu lƣợng do Flooding
Nhƣợc điểm thứ hai là vấn đề chồng lấn (overlap). Hình 4.8 minh họa hiện tƣợng chồng lấn xảy ra khi hai nút cùng gửi gói tin đến cùng một nút.
Hình 4.8. Hiện tƣợng chồng lấn do Flooding
Nhƣợc điểm thứ ba và cũng là nhƣợc điểm nguy hiểm nhất của flooding là sự mù tài nguyên (resource blindness). Quy luật đơn giản của flooding không xem xét đến hạn chế về nguồn năng lƣợng của các nút. Năng lƣợng của nút có thể suy giảm nhanh chóng, làm giảm đáng kể thời gian sống của mạng.
Để giải quyết các nhƣợc điểm nêu trên, giao thức flooding đƣợc cải tiến thành một giao thức mới, gọi là gossiping. Tƣơng tự flooding, gossiping dùng quy luật đơn giản và không đòi hỏi cấu hình mạng đắt tiền hay thuật toán định tuyến phức tạp. Trong flooding, gói dữ liệu đƣợc phát quảng bá đến tất cả các nút. Khác với flooding, gossiping chỉ yêu cầu mỗi nút gửi gói dữ liệu vừa nhận đƣợc đến một nút lân cận đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên. Khi nhận đƣợc gói, nút lân cận lại chuyển tiếp gói đó đến một nút đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên khác. Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi gói tin đƣợc chuyển tới đích hoặc khi hop count hay time-to-live
về 0. Gossiping tránh đƣợc vấn đề bùng nổ lƣu lƣợng mạng, bằng cách giới hạn số gói mà mỗi nút gửi đến các nút lân cận nó. Tuy nhiên, độ trễ gói tại đích đến có thể rất lớn, đặc biệt với mạng có kích thƣớc lớn, do bản chất của gossiping là chỉ có một liên kết đƣợc tạo thành tại một thời điểm.
148