Số hop 6 11
Cải thiện lưu lượng 450% 670%
Bảng 3.4 cho thấy sự cải thiện lưu lượng TCP đối với 6 hop và 11 hop với tỷ lệ mất gói tin 10%. Kết quả cho thấy rằng DTC đạt lưu lượng cao hơn nhiều so với trường hợp không có DTC.
3.1.4.2 Nhận xét
DTC làm tăng đáng kể chất lượng TCP trong mạng cảm biến không dây bằng cách lưu trữ segment phân tán trong mạng cảm biến và truyền lại nội bộ các segment bị mất. Cụ thể, DTC làm:
Giảm số lần truyền lại end to end
Chuyển khả năng chịu tải về mặt tiêu thụ năng lượng từ các node gần với trạm cơ sở vào trong mạng. Điều này quan trọng vì các node gần trạm cơ sở luôn hết năng lượng đầu tiên.
TCP là giao thức truyền thông tin cậy cần thiết trong mạng WSN, được sử dụng để truyền thông tin cấu hình hoặc thông tin bổ sung về nhiệm vụ mới cho các node cảm biến. DTC là giải pháp góp phần mang lại tính khả thi cho việc sử dụng TCP trong mạng WSN. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề nữa về DTC cần được nghiên cứu và phát triển ví dụ như DTC hoạt động thế nào trong trường hợp có nhiều luồng TCP. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ giải quyết vấn đề này.
3.2 Xem xét ứng dụng mạng WSN sử dụng TCP/IP theo dõi sự thâm nhập 3.2.1 Giới thiệu
Mạng cảm biến tích hợp bộ giao thức TCP/IP đã được nghiên cứu và đưa vào thực tế. Ta xem xét một sự triển khai thí nghiệm mạng này về ứng dụng theo dõi sự thâm nhập trong tòa nhà được thực hiện bởi tác giả Adam Dunkel và Thiemo Voigt [11]. Mạng này có thể triển khai tạm thời và nhanh chóng tại một vị trí và dễ dàng vận chuyển đến vị trí khác khi đã hoàn thành nhiệm vụ hiện tại. Nhiệm vụ chính của mạng cảm biến phát hiện sự di chuyển trong một tòa nhà được giả sử là trống rỗng. Nếu phát hiện thấy sự di chuyển, hệ thống sẽ gửi cảnh báo đến trung tâm chỉ huy để cảnh báo đội ngũ an ninh.
Phần cứng hệ thống bao gồm bảng mạch ESB [10], tất cả các node chạy hệ điều hành Contiki [12] là hệ điều hành hạng nhẹ cho các thiết bị mạng nhỏ. Để kết nối mạng cảm biến với mạng trên nền IP như GPRS hoặc LAN, kết nối giữa các cảm biến bên trong mạng cảm biến được thực hiện bằng cách sử dụng TCP/IP. Hỗ trợ TCP/IP được cung cấp bởi uIP – một hệ xử lý TCP/IP hoàn chỉnh chỉ với vài kilobyte kích thước mã và vài trăm byte RAM.
3.2.2 Nền tảng phần cứng
Bảng mạch bao gồm một bộ vi điều khiển năng lượng thấp MSP430 Texas Instruments với 60 kilobyte bộ nhớ ROM và 2 kilobyte RAM, một bộ thu phát sóng vô tuyến đơn chip RF Monolithics TR1001 và một số cảm biến. Các cảm biến trên bảng mạch bao gồm:
- Một cảm biến ánh sáng phát hiện ánh sáng
- Một cảm biến hồng ngoại thụ động phát hiện sự di chuyển - Một cảm biến nhiệt độ
- Một cảm biến rung phát hiện sự di chuyển của bảng mạch
- Một microphone để xác định mức ồn của môi trường xung quanh - Một bộ gửi và một bộ nhận hồng ngoại
Bộ vi điều khiển MSP430 được thiết kế cho các ứng dụng năng lượng thấp và một tập hợp các chế độ nghỉ năng lượng thấp. Bộ vi điều khiển chuyển sang chế độ hoạt động bằng ngắt được tạo bởi một bộ định thời bên trong hoặc thiết bị bên ngoài như cảm biến hồng ngoại bị động. Bộ nhớ ROM trên chip có thể lập trình lại bằng phần mềm chạy trên vi điều khiển.
3.2.3 Hệ điều hành
Các node chạy hệ điều hành Contiki, đó là hệ điều hành hạng nhẹ cho các thiết bị giới hạn về nguồn tài nguyên như là các thiết bị cảm biến nhỏ. Contiki bao gồm bộ giao thức uIP TCP/IP đã phân tích ở chương 2 và vì vậy được hỗ trợ TCP/IP đầy đủ.
3.2.4 Cơ chế và giao thức mạng
Với việc chạy TCP/IP trong mạng cảm biến, ta dễ dàng kết nối mạng với các mạng TCP/IP mà không cần proxy hoặc bộ chuyển đổi giao thức. Mặc dù được xem không phù hợp với mạng cảm biến do các yêu cầu đặc biệt và các điều kiện truyền thông khắt khe nhưng bằng các giải pháp đã nêu ở chương 2, ta dễ dàng sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến: cơ chế gán địa chỉ IP không gian (SIPA) cung cấp địa chỉ semi-unique cho các node cảm biến, mạng ứng dụng phủ cung cấp định tuyến dữ liệu trung tâm, cơ chế lưu trữ TCP phân tán làm tăng hiệu quả TCP trong mạng cảm biến và giải pháp nén tiêu đề loại bỏ việc truyền thông tin không cần thiết.
Trong phần này, ta xem xét cơ chế gán địa chỉ IP không gian và định tuyến ứng dụng phủ và tiện ích khi chạy trực tiếp TCP/IP trong mạng cảm biến không dây.
Cơ chế gán địa chỉ IP
Mạng này sử dụng cơ chế gán địa chỉ theo không gian đã được phân tích ở chương 2. Mỗi node xây dựng địa chỉ riêng bằng cách kết hợp tọa độ vị trí và tiền tố địa chỉ mạng. Tiền tố địa chỉ mạng đã được cấu hình trong quá trình cài đặt và thường là một trong các dải địa chỉ IP riêng. Trong mạng này sử dụng địa chỉ 172.16.0.0/16 với hai octet cuối cùng là tọa độ x và y của node. Một node được gán địa chỉ sẽ được nhận dạng duy nhất bởi vị trí của nó. Hai hoặc nhiều hơn các node đặt tại cùng một vị trí được xem như một cảm biến đơn.
Sử dụng mạng phủ
Mạng gồm hai phần riêng biệt: một tập hợp các node chính (node backbone) tạo thành mạng lõi (mạng backbone) và một tập hợp các node cảm biến gửi sự kiện cảnh báo đến mạng backbone. Mạng backbone sao chép và vận chuyển các thông tin sự kiện cảnh báo để tất cả các node backbone có một bản ghi của tất cả các sự kiện trong toàn mạng.
Hình 3.9: Mạng với các node backbone, node cảm biến
Các node backbone tìm kiếm định kỳ các node backbone khác bằng cách gửi các bản tin quảng bá. Khi hai node backbone tìm thấy nhau tạo một kết nối để sao chép các bản ghi. Khi các điều kiện vô tuyến thay đổi trong thời gian sống của mạng, các node backbone đóng và mở định kỳ các kết nối sao chép các sự kiện của chúng.
Bất kỳ node cảm biến nào cũng có thể trở thành node backbone bằng cách cài đặt các thông số cấu hình phù hợp.
Đội ngũ an ninh tham gia vào mạng mang một thiết bị cầm tay (PDA) kết nối tới một node backbone di động. Node backbone di động này kết nối tới một node backbone gần kề và trao đổi các thông tin sự kiện bằng cách sử dụng cùng cơ chế với các node backbone khác.
Truyền sự kiện
Khi một node phát hiện sự di chuyển, nó quảng bá một thông báo cảnh báo về sự kiện với một nhãn thời gian tới tất cả các node backbone nằm trong phạm vi. Các node backbone nhận đưa sự kiện vào trong bản ghi sự kiện của nó và truyền sự kiện trong mạng backbone. Sự kiện báo động được dán nhãn thời gian bởi bộ gửi, mạng backbone có thể phát hiện các thông báo sự kiện trùng lặp và tránh truyền các sự kiện trùng lặp.
Các node backbone sắp xếp các bản tin sự kiện theo nhãn thời gian và không lưu một sự kiện nếu một sự kiện mới hơn từ cùng một cảm biến đã có trong bản ghi. Các sự kiện cũ hơn một ngưỡng nhất định cũng không được truyền đi.
Các node backbone phát hiện lỗi ở node cảm biến bằng cách trao đổi các bản tin nhịp tim (heartbeat) và thông báo lỗi. Ngoài ra, các node đồng bộ về thời gian bằng cách trao đổi các bản tin đồng bộ về thời gian.
Mạng cảm biến được kết nối với mạng ngoài để gửi các sự kiện cảnh báo tới trung tâm chỉ huy. Vì mạng cảm biến sử dụng giao thức TCP/IP nên kết nối dễ dàng với mạng ngoài sử dụng các công nghệ sẵn có như GPRS.
Ứng dụng này sử dụng giao thức truyền tải tin tức liên mạng (NNTP) để kết nối mạng cảm biến với bên ngoài.
Hình 3.10: Mạng cảm biến kết nối với mạng sao chép gồm các server NNTP
Tất cả các node backbone chạy một server NNTP nhỏ, các server này chuyển bản ghi sự kiện vào bản tin NNTP. Bản tin NNTP được gửi tới các thiết bị PDA được mạng bởi đội ngũ an ninh hoặc tới server NNTP bên ngoài.
Triển khai và hoạt động
Mạng được triển khai nhanh chóng với các node cảm biến yêu cầu cấu hình rất nhỏ, có thể thực hiện cấu hình mạng bằng tay.
Bảng mạch cảm biến được trang bị một bộ phát và một bộ nhận hồng ngoại sử dụng kênh truyền khoảng cách ngắn. Truyền thông bằng hồng ngoại được sử dụng để truyền các thông số cấu hình tới các node cảm biến.
3.2.5 Đánh giá
Như vậy, với các giải pháp đã đề xuất mạng cảm biến không dây sử dụng TCP/IP đã được triển khai trong thực tế. Ta vừa xem xét một ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong việc theo dõi sự thâm nhập. Bằng cách hệ xử lý uIP TCP/IP, gán địa chỉ IP theo không gian và cơ chế định tuyến phủ dữ liệu trung tâm, mạng cảm biến trên nền TCP/IP dễ dàng kết nối với mạng ngoài để giám sát và theo dõi từ vị trí xa. Mạng bao gồm mạng phủ là mạng backnode và các node cảm biến được kết nối như là node lá. Các node cảm biến quảng bá các sự kiện phát hiện sự di chuyển tới mạng backbone bao gồm các node backbone. Các sự kiện được dán nhãn thời gian và được đồng bộ thời gian bằng giao thức định thời đơn giản.
Mạng được cấu hình trong suốt quá trình triển khai sử dụng khả năng giao tiếp hồng ngoại của các node cảm biến. Lí do mỗi node có cấu hình bằng tay vì các thông tin như khóa mật mã có thể được truyền với thông tin cấu hình.
3.3 Kết luận
Các chương trước đã trình bày tổng quan và các giải pháp giải quyết các vấn đề khi sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây. Trong chương này đưa ra một số phân tích, đánh giá hiệu quả và nêu ra một số hướng phát triển nghiên cứu mới cho các giải pháp sử dụng TCP/IP và xem xét ứng dụng thực tế trong hệ thống phát hiện sự thâm nhập trong tòa nhà. Mạng cảm biến trên nền TCP/IP mang lại khả năng truyền thông thông suốt giữa các mạng giúp cho người dùng dễ dàng giám sát và điều khiển từ vị trí ở xa.
KẾT LUẬN
Luận văn nghiên cứu một hướng phát triển mới về mạng cảm biến không dây đó là sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây. Điều này cho phép người dùng giám sát và điều khiển mạng từ vị trí từ xa thông qua cơ sở hạ tầng mạng sẵn có trền nền bộ giao thức TCP/IP phổ biến.
Các đóng góp của luận văn:
- Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây với các vấn đề kiến trúc mạng, đặc điểm và các ứng dụng phổ biến.
- Phân tích các vấn đề gặp phải khi áp dụng TCP/IP trong mạng cảm biến không dây với các node cảm biến có nguồn tài nguyên hạn chế: gán địa chỉ IP, chi phí tiêu đề TCP/IP, định tuyến địa chỉ trung tâm, giới hạn node và hiệu quả về năng lượng và hiệu suất TCP.
- Nghiên cứu các giải pháp đề xuất TCP/IP khả thi trong mạng cảm biến không dây: cơ chế gán địa chỉ IP theo không gian, nén tiêu đề theo ngữ cảnh, định tuyến ứng dụng phủ, thực hiện hệ xử lý TCP/IP nhỏ và cơ chế lưu trữ TCP phân tán. - Phân tích, đánh giá các giải pháp và xem xét một thực nghiệm cụ thể về ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Luận văn liên quan đến vấn đề nghiên cứu mới, phức tạp, chưa có điều kiện kiểm chứng bằng thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm trong trường. Đóng góp chính của luận văn là nghiên cứu lý thuyết, tổng quan một số các nghiên cứu đã công bố về TCP/IP trong mạng WSN; xem xét một số kết quả mô phỏng đã công bố, nhận xét và đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng TCP/IP cho mạng WSN. Hi vọng luận văn này sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho những người quan tâm đến mạng WSN sau này.
Trong pham vi luận văn này, các vấn đề được xem xét với mức độ khái quát về giải pháp sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài là đi sâu nghiên cứu từng vấn đề cụ thể và hướng tới việc thiết kế, triển khai mạng trong thực tê.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Holger Karl Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, Wiley, 2005.
2. Karim Ahmed Awad El Sayed Emara, Integrating Wireless Sensor Networks with IP-Based Networks, Cairo, 2009
3. Jason Lester Hill, System Architecture for Wireless Sensor Networks, University of California, Berkeley, 2000
4. A. Dunkels, T. Voigt, and J. Alonso. “Making TCP/IP Viable for Wireless Sensor Networks,” in Proceedings of the First European Workshop on Wireless Sensor Networks (EWSN'04), work-in-progress session, Berlin, Germany, January 2004.
5. Ray-I Chang Che-Hsuan Chang Chi-Cheng Chuang . “Scan-Lin IP Assignment for Wireless Sensor Networks”. In Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 2009. WiCom '09. 5th International Conference on 24-26 Sept. 2009.
6. S. Mishra R. Sridharan, R. Sridhar. A robust header compression technique for wireless ad hoc networks. In MobiHoc 2003, 2003.
7. Bhaskar Krishnamachari, Deborah Estrin, and Stephen Wicker. Modelling Data- Centric Routing in Wireless Sensor Networks. In Computer Engineering Technical Report CENG 02-14
8. A. Dunkels. Full TCP/IP for 8-bit architectures. In Proceedings of The First International Conference onMobile Systems, Applications, and Services (MOBISYS ‘03), San Francisco, California, May 2003.
9. Adam Dunkels, Thiemo Voigt, and Juan Alonson. Distributed TCP Caching for Wireless Sensor Networks. Technical Report 6. Swedish Institute of Computer Science, March 2004.
10. CST Group at FU Berlin. Scatterweb Embedded Sensor Board. Web page. Visited 2003-10-21. URL: http://www.scatterweb.com/
11. Adam Dunkels, Thiemo Voigt, Niclas Bergman, and Mats Jönsson. The Design and Implementation of an IP-based Sensor Network for Intrusion Monitoring. In
Swedish National Computer Networking Workshop, Karlstad, Sweden, November
2004.
12. A. Dunkels, B. Gr ¨onvall, and T. Voigt. Contiki - a Lightweight and Flexible Operating System for Tiny Networked Sensors. In First IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors, 2004.