CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.4. Thuật toán định tuyến CTP [6]
Thuật toán CTP (Collection Tree Protocol) là một kỹ thuật định tuyến hiệu quả hiện nay. Thuật toán này được xây dựng dựa trên phương pháp tiếp cận định tuyến phẳng, tự tổ chức. Thuật toán CTP cho phép truyền thông hiệu quả từ các nút mạng trong mạng cảm biến đến một trong các nút gốc.
Trong quá trình xây dựng và duy trì cấu trúc cây định tuyến, các nút cần phải xác định thước đo định tuyến để lựa chọn nút lân cận tốt nhất (nút cha). Hiện tại, kỹ thuật CTP sử dụng thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX để xây dựng cấu trúc cây định tuyến. Các nút cần phải thu thập thông tin về chất lượng liên kết của các nút lân cận và dựa vào thông tin đó để tính toán và lựa chọn nút cha. Để thực hiện điều này, các nút định kỳ trao đổi các bản tin điều khiển. Bản tin điều khiển mang thông tin về chất lượng tuyến đường
từ nút đó đến nút gốc. Kỹ thuật định tuyến CTP sử dụng thước đo định tuyến được sử dụng là số lần truyền kỳ vọng ETX (Expected Transmision). ETX của một liên kết là số lần truyền cần thiết để gửi thành công một bản tin từ nguồn đến đích qua liên kết đó bao gồm cả việc truyền lại. Hình dưới đây minh họa cách tính thước đo ETXlink của một liên kết.
Hình 2.7: Minh họa ETXlink của một liên kết.
Thước đo ETXlink của một liên kết được xác định theo công thức sau: 1 . link f b ETX D D (2.2) Trong đó:
- Df : Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều từ nút A đến nút B.
- Db : Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều ngược lại từ nút B đến A. Thước đo ETX của một tuyến đường rtmetric (route metric) được xác
định bằng tổng ETXlink của tất cả các liên kết trên toàn tuyến đường đó.
Thước đo rtmetric của mỗi nút được gửi quảng bá cho các nút lân cận thông qua việc trao đổi các bản tin điều khiển. Dưới đây là lưu đồ thuật toán cập nhật bảng định tuyến.
Hình 2.8: Minh họa ETXlink của một liên kết [6].
Trong kỹ thuật CTP thì công việc chính trong quá trình định tuyến đó là gửi bản tin beacon, xây dựng bảng định tuyến, duy trì và cập nhật bảng định tuyến, lựa chọn được nút cha trong hướng định tuyến của mình.
Các thành phần của kỹ thuật CTP gồm. Chuyển tiếp Định tuyến Ước lượng liên kết Các giao diện
- Phần định tuyến: Có nhiệm vụ gửi và nhận các bản tin điều khiển
cũng như tạo và cập nhật bảng định tuyến. Bảng định tuyến của mỗi nút lưu các nút lân cận có thể được lựa chọn làm nút cha của nó. Bảng này được xây dựng dựa vào các thông tin lấy từ các bản tin điều khiển. Bảng này lưu thông tin về địa chỉ của các nút lân cận cũng như các thông tin khác như thước đo định tuyến của mỗi nút.
- Phần chuyển tiếp: Có nhiệm vụ chuyển tiếp các bản tin dữ liệu đến
từ lớp ứng dụng cũng như các bản tin dữ liệu đến từ các nút lân cận. Phần chuyển tiếp cũng có nhiệm vụ phát hiện và sửa chữa các vòng lặp định tuyến cũng như ngăn chặn sự xung đột của các bản tin.
- Phần ước lượng liên kết: Có nhiệm vụ xác định chất lượng liên kết
(ETXlink). Phần ước lượng liên kết tính toán ETXlink dựa vào sự thống kê các bản tin điều khiển nhận được và các bản tin dữ liệu được truyền thành công. Dựa vào sự thống kê này, phần ước lượng liên kết sẽ tính toán ETXlink theo chiều đến được xác định bằng tổng số bản tin điều khiển được gửi bởi nút lân cận chia cho tổng số bản tin điều khiển nhận được. Tương tự như vậy, giá trị
ETXlink theo chiều đi được xác định bằng tổng số bản tin dữ liệu được gửi đi (bao gồm cả việc truyền lại) chia cho tổng số bản tin dữ liệu được xác nhận bởi bản tin xác nhận ACK.
Cấu trúc các bản tin của kỹ thuật CTP
CTP sử dụng 3 loại bản tin để xây dựng và duy trì hoạt động của cấu trúc liên kết mạng đó là: Bản tin điều khiển, bản tin dữ liệu và bản tin xác nhận.
- Bản tin dữ liệu: chứa các thông tin về thông báo tắc nghẽn. Nếu một nút loại bỏ một bản tin dữ liệu thì nó cần phải thiết lập trường C trong cấu trúc khung của bản tin dữ liệu kế tiếp mà nó gửi đi. Trường TTL chứa bước nhảy tối đa, trường thước đo định tuyến rtmetric của nút gửi đơn chặng.
Trường số thứ tự bản tin dữ liệu. Nút khởi nguồn sẽ thiết lập trường này và nút thực hiện chuyển tiếp bản tin dữ liệu không được phép thay đổi trường này. Sự kết hợp hai trường (origin, seqno) sẽ xác định một bản tin dữ liệu duy nhất trong mạng và trường dữ liệu.
- Bản tin điều khiển: Chứa các thông tin về địa trỉ của nút cha hiện tại, giá trị thước đo định tuyến của nút hiện tại và các thông tin tắc nghẽn.
- Bản tin xác nhận: được sử dụng để thông báo sự tiếp nhận thành công một bản tin dữ liệu.
Điểm yếu của kỹ thuật CTP
Kỹ thuật CTP đã được chứng minh là một giao thức thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao về mặt năng lượng tiêu thụ cũng như tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu trong mạng ở mức cao. Các kết quả đánh giá cho thấy giao thức CTP đạt được bốn mục tiêu chính đó là: Độ tin cậy cao, khả năng chống lỗi tốt, hiệu quả về năng lượng và độc lập với nhiều kiến trúc phần cứng khác nhau.
Tuy nhiên, kỹ thuật CTP hiện tại không có sự nhận thức về mức năng lượng còn lại trên các nút mạng. Giao thức CTP chỉ dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu. Thước đo định tuyến ETX không giải quyết được vấn đề cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. Bởi vậy, kỹ thuật CTP dễ bị mất cân bằng năng lượng. Các nút mạng thuộc tuyến đường tối ưu phải thực hiện nhiều việc truyền dẫn hơn các nút khác. Chúng sẽ hết năng lượng nhanh hơn các nút khác và tạo thành các lỗ hổng trong mạng, làm giảm hiệu năng của toàn bộ hệ thống mạng. Đây là một trong những thách thức quan trọng trong các mạng cảm biến không dây hoạt động bằng pin.