Một trong các khía cạnh quan trọng nhất của các địa chỉ là số lƣợng các bit cần thiết cho việc biểu diễn chúng hoặc phần mào đầu (overhead) của chúng. Phần mào đầu này và do đó năng lƣợng cần thiết để truyền thông tin địa chỉ liên quan đến hai yếu tố: (i) Tần số mà với tần số này các địa chỉ đƣợc sử dụng và (ii) kích thƣớc của việc biểu diễn chúng. Chúng ta xem ví dụ về các địa chỉ MAC. Có một số giao thức MAC nhƣ TRAMA hoặc SMACS thiết lập các đƣờng kết nối dành riêng giữa hai nút cạnh nhau bằng cách ấn định các khe thời gian hoặc các tần số không có xung đột. Nếu một đƣờng kết nối nhƣ vậy đƣợc sử dụng cho một gói dữ liệu, thì không cần thiết phải mang thông tin địa chỉ trong các gói này bởi vì các nút nguồn và nút đích là hoàn toàn đã cho.
Ngƣợc lại, trong các giao thức MAC dựa trên sự tranh chấp (ganh đua), tại một thời điểm đã cho bất cứ nút nào cũng có thể truyền tới các nút khác và thông tin đánh địa chỉ do đó là yếu tố sống còn để nhận dạng nguồn và đích và để tránh nghe lén. Vì vậy, càng ít bit dùng cho một địa chỉ thì càng tốt. Chúng ta hãy nhìn vào sự không dung hòa (trade-offs) liên quan ở đây:
Chẳng hạn, chúng ta chọn một địa chỉ duy nhất toàn cầu đƣợc ấn định ƣu tiên nhƣ trong Ethernet IEEE 802.3. Ở đó, 48 bit đƣợc sử dụng để cung cấp số lƣợng thiết bị hiện tại và đã biết trƣớc. Trong các mạng Ethernet các khung tƣơng đối lớn có kích thƣớc vài trăm byte đƣợc sử dụng, nên các địa chỉ 6-byte là một phần mào đầu không đáng kể, và một cấp phát địa chỉ ƣu tiên sẽ loại bỏ việc cần đến một giao thức cấp phát địa chỉ. Mặt khác, trong các mạng cảm biến không dây sẽ có nhiều gói dữ liệu nhỏ và vì thế một địa chỉ đơn 48 bit có thể sẽ lớn hơn dữ liệu.
Một địa chỉ duy nhất toàn mạng phải có một số lƣợng các bít đủ để cung cấp cho tất cả các nút trong mạng. Trong một mạng cảm biến với 10.000 nút, một địa chỉ gồm 14 bít là đủ. Tuy nhiên, để tối thiểu hóa số lƣợng của các bit địa chỉ, kích thƣớc của mạng phải đƣợc biết trƣớc. Một số dự trữ an toàn độ rộng trƣờng địa chỉ là quan trọng nếu xảy ra việc triển khai đa pha, nghĩa là nếu các nút thêm vào mạng đƣợc triển khai lâu sau khi mạng đã sẵn sàng cho việc sử dụng lần đầu tiên, ví dụ: để thay thế các nút có dự trữ năng lƣợng đã cạn kiệt.
Một địa chỉ duy nhất cục bộ phải là duy nhất trong một vùng lân cận nhất định, vùng này thƣờng nhỏ hơn rất nhiều so với toàn mạng. Ví dụ: các địa chỉ MAC phải là duy nhất trong một vùng hai bƣớc nhảy, vùng này có thể chứa vài tá nút, phụ thuộc vào mật độ nút. Do đó, các địa chỉ có thể sử dụng ít bit hơn đáng lẽ nó phải cần cho các địa chỉ duy nhất toàn mạng. Nói cách khác, bởi vì cấu trúc liên kết mạng (topology) chính xác rất ít khi đƣợc biết trƣớc, nên một giao thức cấp phát địa chỉ là cần thiết. Việc có ít bit địa chỉ hơn là điều quan trọng nếu số lƣợng của các bit dữ liệu trong một gói là nhỏ.
Có một sự không dung hòa ở đây, đó là việc sử dụng các địa chỉ MAC cục bộ ngắn hơn có thể tiết kiệm năng lƣợng đáng kể trong trƣờng hợp các gói dữ liệu nhỏ, nhƣng yêu cầu phần mào đầu là ở dƣới dạng các giao thức cấp phát/dàn xếp địa chỉ. Trong các mạng cảm biến với các nút phần lớn là không chuyển động, một giao thức nhƣ vậy là cần thiết để chạy tại thời điểm bắt đầu và đôi khi muộn hơn để xử lý các nút mới và các nút đã bị xóa. Trong
135
trƣờng hợp này, những lợi ích từ việc tiết kiệm các bit địa chỉ trong mỗi gói dữ liệu có thể có nhiều tác dụng hơn đối với giá thành của giao thức dàn xếp. Mặt khác, trong các mạng ad hoc và mạng cảm biến có khả năng di động cao, giao thức dàn xếp cần phải chạy thƣờng xuyên nhằm mục đích tiết kiệm năng lƣợng.
4.2.2 Quản lý tên và địa chỉ trong WSN
Chúng ta thấy rằng các địa chỉ MAC là không thể thiếu đƣợc nếu giao thức MAC sử dụng việc tránh nghe lén và chuyển sang chế độ ngủ (sleep mode) một cách thƣờng xuyên có thể. Tuy nhiên, các địa chỉ MAC có cần phải duy nhất toàn mạng hay duy nhất toàn cầu không? Câu trả lời là “Không”, bởi vì phạm vi của một giao thức MAC là truyền thông giữa các nút gần nhau. Yêu cầu này đảm bảo rằng không có hai nút gần nhau nào của một nút đã đƣợc lựa chọn có cùng địa chỉ MAC. Nhƣ đã thảo luận ở trên, các địa chỉ duy nhất cục bộ có khả năng là ngắn nhƣng cần một giao thức cấp phát địa chỉ. Vấn đề này đƣợc đề cập đến trong phần sau. Làm cách nào mà các địa chỉ lớp cao, đặc biệt là các địa chỉ lớp mạng, mà dùng cho các giao thức định tuyến phải là duy nhất toàn mạng hoặc duy nhất toàn cầu? Chúng ta sẽ thảo luận ngắn gọn rằng việc thỏa mãn yêu cầu này là một nhiệm vụ cực khó. Chúng ta cũng tranh luận rằng yêu cầu này là không thực sự cần thiết trong các mạng cảm biến không dây bởi vì cuối cùng thì toàn mạng không phải là một bộ sƣu tập của các nút thuộc những ngƣời sử dụng cá nhân mà các nút kết hợp với nhau để xử lý các tín hiệu và các sự kiện từ môi trƣờng vật lý. Sự tranh cãi chính đó là ngƣời sử dụng rốt cục quan tâm đến dữ liệu chứ không quan tâm đến cá nhân các nút hay các nhóm nút mang dữ liệu đến. Đi xa hơn về vấn đề này, thì dữ liệu cũng có khả năng ảnh hƣởng đến hoạt động của các giao thức, mà các giao thức lại là cốt lõi của mạng dữ liệu tập trung. Các kiểu đánh địa chỉ dựa trên nội dung hoặc đánh địa chỉ tập trung vì thế rất quan trọng và sẽ đƣợc thảo luận trong phần 4.2.3.
4.2.3. Các phương pháp đánh địa chỉ
Các mạng ad hoc và mạng cố định truyền thống cung cấp các dịch vụ và các giao thức, chúng cho phép một số lƣợng lớn những ngƣời sử dụng độc lập trao đổi dữ liệu với nhau và với phần còn lại của thế giới. Mặt khác, trong các mạng cảm biến không dây, các nút tƣơng tác với môi trƣờng vật lý, và chúng kết hợp với nhau, nghĩa là chúng không độc lập với nhau. Một ngƣời sử dụng của một mạng cảm biến không dây rốt cục muốn biết đôi điều về môi trƣờng vật lý mà mạng tƣơng tác với, nhƣng anh ta thƣờng không quan tâm đến các nút cảm biến cá nhân. Ví dụ: một ngƣời sử dụng muốn hỏi “hãy cho tôi biết nhiệt độ trong phòng 205 trong tòa nhà A3” thay vì “thu thập các giá trị nhiệt độ của nút cảm biến 13, 47, 2225, 14592, và 14593 và cho tôi giá trị trung bình của chúng”. Ngƣời ta thƣờng thích cho phép ngƣời sử dụng đặt tên cho dữ liệu họ quan tâm đến chứ không phải là nút (hay tập hợp các nút) tạo ra dữ liệu. Trong các mạng dựa trên IP truyền thống, yêu cầu này tƣơng ứng với việc giới thiệu một hệ thống tên gọi nằm trên đỉnh của các địa chỉ IP và để giới thiệu các dịch vụ ràng buộc phù hợp nhƣ DNS hoặc các dịch vụ thƣ mục khác, cung cấp một ánh xạ từ các tên (có ý nghĩa đối với ngƣời sử dụng) tới các địa chỉ IP (có ý nghĩa đối với giao thức định tuyến). Tuy nhiên, trong các mạng cảm biến các mức không thƣ mục này có thể bị loại bỏ và các thuộc tính định rõ ngƣời sử dụng có thể đƣợc dùng một cách trực tiếp để tìm kiếm (các nhóm của) các nút. Ý tƣởng này thƣờng đƣợc gọi là đánh địa chỉ tập trung dữ liệu (data-centric addressing). Phƣơng pháp này làm cho các dữ liệu ứng dụng có ý nghĩa đối với hoạt động của các giao
136
thức mạng (đặc biệt là định tuyến), đó cũng là một sự cho phép chủ yếu đối với các kỹ thuật xử lý trong mạng. Việc đánh địa chỉ địa lý có thể xem nhƣ một trƣờng hợp đặc biệt của việc đánh địa chỉ dựa trên nội dung. Ở đây, một số các thuộc tính định rõ ngƣời sử dụng chỉ đến các tọa độ không gian. Đánh địa chỉ địa lý giả thuyết rằng mỗi nút biết vị trí của bản thân nó đối với một hệ thống tọa độ đã đƣợc thỏa thuận. Do đó, các kỹ thuật định vị là thiết yếu để làm việc với các địa chỉ địa lý. Mặt khác, các địa chỉ địa lý có thể hỗ trợ cho việc định tuyến. Cả hai cách đánh địa chỉ theo nội dung và theo địa lý đều không thay thế đƣợc các giao thức MAC nhƣng chúng có thể sử dụng, ví dụ nhƣ trong lớp mạng để giúp đỡ các quyết định định tuyến.