3.4. Điều khiển cấu hình trong Protocol Stack
3.4.2. Điều khiển cấu hình và MAC
MAC ( viết tắt của Medium Access Control) hay lớp kiểm soát truy nhập là một lớp con nằm trong lớp kết nối dữ liệu (data link) chịu trách nhiệm kiểm soát việc truy nhập không dây và kênh truyền chia sẻ. Nó là nền tảng cơ bản quan trọng trong các mạng ad-hoc/sensor nhằm làm giảm bớt các xung đột trong mạng, duy trì dung lượng mạng phù hợp với các mức. Để hiểu sâu hơn về sự tương tác giữa lớp MAC và kiểm soát topology , chúng ta sẽ xem giao thức MAC được sử dụng trong chuẩn IEEE 802.11 [19].
Trong 802.11, việc truy nhập đối với kênh không dây được quy định thông qua thông điệp (message) RTS/CTS. Khi nút u muốn gửi một gói tới nút v, thì đầu tiên nó gửi một thông điệp Request to Send (yêu cầu gửi - RTS) chứa ID của nút u và ID của nút v, kích thước gói dữ liệu. Nếu v với u là trong cùng một khoảng và không có bất kỳ một tranh chấp nào xảy ra, thì nó nhận thông điệp RTS. Trong trường hợp liên lạc xảy ra thì nút v sẽ trả lời với thông điệp Clear to Send (CTS). Ngay lập tức khi nhận được thông điệp CTS,
Lớp định tuyến
Lớp điều khiển Tôpô
Sự kiện thực thi
điều khiển Tôpô
Sự kiện cập nhật tuyến
nút u sẽ bắt đầu truyền gói dữ liệu và chờ thông điệp ACK được gửi đi bởi nút v để thông báo rằng dữ liệu gửi đã được nhận.
Để giới hạn các xung đột tại mỗi nút, 802.11 duy trì một vectơ định vị mạng (Network Allocation vector – NAV) theo dõi vết các cuộc truyền đến. NAV được cập nhật mỗi lần khi nút đó nhận các thông điệp RTS, CTS, ACK. Lưu ý rằng, bất kỳ nút nào trong cùng khoảng phát với nút u hoặc v có thể nghe trộm được ít nhất một phần sự trao đổi thông điệp RTS/CTS/DATA/ACK, vì vậy có thể lưu giữ một phần thông tin về các cuộc truyền đi.
Ví dụ, trong [22], sử dụng các mức công suất phát khác nhau có thể dẫn đến nguy cơ xảy ra xung đột giữa các nút. Mặt khác, sử dụng các công suất phát giảm xuống có thể tránh được tranh chấp. Để phân biệt rõ hơn, hãy xem xét tình huống trong Hình 3-7.
Có 4 nút u,v,w, z với C(, ) = ^ < = C(, c)và C(c, T) = i < . Nút u muốn gửi một gói đến v và nút w muốn gửi một gói đến z.
Giả sử rằng tất cả các nút có cùng công suất phát,tương ứng với khoảng phát của nút r, với < > + max{^, i}. Đầu tiên giữa các nút v và z sẽ gửi thông điệp CTS ngăn chặn cuộc truyền của đôi khác. Trong thực tế, nút v và z nằm trong cùng khoảng vô tuyến (radio range) và nghe trộm được CTS từ nút v (tương ứng, z) ngăn chặn nút z (tương ứng, v) từ việc gửi các CTS của chính nó. Vì vậy, với việc thiết lập khoảng truyền, không có xung đột xảy ra, nhưng hai cuộc truyền không thể được lập lịch đồng thời.
Bây giờ, giả sử rằng nút u và v có khoảng vô tuyến (radio range) là <^, với <^ = ^+ o < và nút w, z có khoảng < với < > . Trong trường hợp này, w, z không thể nghe thấy sự thay đổi RTS/CTS giữa các nút u và v và
u v w z
d1 d2 d3
chúng không làm trễ phiên dữ liệu. Tuy nhiên, khi nút w truyền gói của nó dẫn đến tranh chấp ở nút v do nằm cùng khoảng của w. Vì vậy, trường hợp này, sử dụng các công suất phát khác nhau sẽ tạo ra nguy cơ về xung đột.
Cuối cùng, giả sử rằng nút u và v có cùng khoảng vô tuyến < và nút w, z có khoảng vô tuyến <i với <i = i+ o < . Với việc thiết lập các khoảng rađio đó, hai cuộc truyền có thể xảy ra đồng thời bởi vì nút v nằm ngoài khoảng radio của nút w và nút z nằm ngoài khoảng radio của nút u. Ngược lại với ví dụ trên, trong trường hợp này, sử dụng các mức công suất khác nhau sẽ làm giảm nguy cơ xung đột, dẫn đến tăng khả năng dung lượng mạng.
Ví dụ của Hình 3-7 đã chỉ ra tầm quan trọng của việc thiết lập chính xác các mức công suất ở tầng MAC. Chúng ta tin rằng công việc quan trọng này sẽ được thực hiện bởi tầng điều khiển Topology, nơi có thể đưa ra các quyết định khoảng phát của nút. Mặt khác, tầng MAC có thể kích hoạt thực thi lại giao thức điều khiển topology nếu nó phát hiện các nút mới lân cận. Mức MAC có thể phát hiện các nút lân cận bằng cách nghe trộm tắc nghẽn mạng và phân tích các header của thông điệp. Đây là cách nhanh nhất để phát hiện các nút lân cận và sự liên kết tác động giữa MAC và Kiểm soát Topology đảm bảo cho việc đáp ứng nhanh các thay đổi trong hình trạng mạng
Lớp MAC Lớp điều khiển Tôpô
Sự kiện thực thi
điều khiển Tôpô Thiết lập mức công suất
(network topology). Sự tương tác hai chiều giữa lớp kiểm soát Topology và MAC được tóm tắt trong Hình 3-8.
3.5. 3.5. 3.5.
3.5. Kết luậnKết luận Kết luậnKết luận
Chương 3 đã trình bày khái niệm ban đầu về điều khiển cấu hình và làm rõ điều khiển cấu hình là gì, cái gì thì không phải là điều khiển cấu hình. Chương này cũng giới thiệu một vài ví dụ về điều khiển cấu hình như điều khiển cấu hình biến đổi năng lượng, điều khiển cấu hình trên quan điểm dung lượng mạng để làm rõ hơn về điều khiển cấu hình. Đồng thời từ đó cho ta thấy được những hiệu quả to lớn của việc áp dụng kỹ thuật điều khiển cấu hình để tối ưu mạng ad hoc – sensor.
Ngoài ra trong chương này còn giới thiệu nguyên tắc phân loại các phương pháp tiếp cận bài toán điều khiển cấu hình, và cách thức tích hợp cơ chế điều khiển cấu hình vào protocol stack. Sang chương sau, ta sẽ đi vào giải quyết một số bài toán điều khiển cấu hình cụ thể.
Chương 4 ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯUĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CẤU HÌNHCẤU HÌNHCẤU HÌNH CẤU HÌNH
Phần đầu của chương Chương 4 trình bày bài toán đầu tiên trong vấn đề tối ưu cầu hình mạng ad hoc sensor, gọi là bài toán ấn định khoảng RA. Các nút mạng có thể chọn các khoảng phát khác nhau, mục đích là chọn ra được những khoảng sao cho mạng kết nối được với chi phí năng lượng tối thiểu. Bài toán trước hết sẽ được giải trong mạng một chiều rồi sau đó đến trường hợp phức tạp hơn là mạng hai và ba chiều. Phần tiếp theo thảo luận về hiệu quả năng lượng của cấu hình mạng tối ưu đối với các phiên bản khác nhau của bài toán RA. Phần cuối cùng của chương giải quyết vấn đề thiết kế cấu hình mạng tối ưu về mặt năng lượng đối với một số kiểu truyền thông nhất định như điểm-điểm (unicast), một – nhiều (broadcast).
Trên thực tế, nhiều bài toán khác nhau về thiết kế mạng đã được khảo sát dựa trên giả thiết tất cả các nút có cùng một dải phát phản ánh tất cả các tình trạng mà các nút không thể thay đổi mức độ công suất phát (và sử dụng bộ thu với cùng một công nghệ). Tuy nhiên, trong nhiều kịch bản, các nút có thể thay đổi mức độ công suất phát. Như thế, bài toán lựa chọn các mức độ công suất phát của nút theo cách mà topology của mạng thỏa mãn các thuộc tính nhất định trở nên thích đáng. Trong phần này sẽ xem xét bài toán xác định tập các ấn định khoảng mà tạo ra một graph (graph) truyền thông có kết nối trong khi tối thiểu hóa tiêu tốn năng lượng. Bài toán này được gọi trong các tài liệu là bài toán ấn định khoảng (Range Assignment Problem).