Loại mạng Wifi Bluetooth UWB Zigbee
Chuẩn IEEE 802.11 802.15.1 802.15.3a 802.15.4
Băng tần 2.4GHz; 5GHz 2.4GHz 3.1-10.6GHz 868/915MHz; 2.4GHz Tốc độ (lý thuyết) 54Mbps 1Mbps 110Mbps 250Kbps Khoảng cách 100m 10m 10m 10-100m
Số kênh 14 kênh 79 kênh 1-15 kênh 16 kênh
Độ rộng kênh 22MHz 1MHz 500MHz – 7.5GHz 0.3/0.6 MHz ; 2MHz Kỹ thuật điều chế BPSK, QPSK COFDM, CCK,M- QAM GFSK BPSK, QPSK BPSK(+ASK), O-QPSK Kỹ thuật trải phổ DSSS, CCK, OFDM DSSS, CCK, OFDM FHSS DS-UWB, MB-OFDM DSSS
Đơn vị trong mạng BSS Piconet Piconet Star Khả năng mở rộng
số nút mạng 2007 8 8 65536
Mã hóa dữ liệu Mã hóa khối Mã hóa
luồng Mã hóa khối Mã hóa khối
Bảo mật dữ liệu WPA CBC-MAC CBC-MAC CBC-MAC
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG ZIGBEE 4.1. Chƣơng trình mơ phỏng mạng NS2 [1, tr 47-52]
NS-2 là một bộ mô phỏng mạng mã nguồn mở, vận hành theo các sự kiện rời rạc (Discrete Event -Driven Simulator), được xây dựng và phát triển bởi dự án VINT của phịng thí nghiệm Lawrence Berkeley National Laboratory. Phiên bản 1 của NS được phát triển vào năm 1995 và phiên bản 2 ra đời vào năm 1996. Phiên bản 2 của NS thêm vào một ngôn ngữ gọi là Object oriented Tcl(Otcl). Trong đó phần nhân ít thay đổi hơn của NS được viết bằng C++, chứa các module thực hiện mô phỏng và các chức năng cơ bản nhất của mạng. Phần vỏ được viết bằng ngôn ngữ Otcl, là một ngôn ngữ thông dịch kịch bản và thực thi các câu lệnh tạo ra bởi người sử dụng. NS-2 là một gói phần mềm mã nguồn mở chạy được cả trên nền hệ điều hành Windows và Linux.
4.1.1. Kiến trúc của NS2
NS-2 được xây dựng theo kiến trúc phân tầng, tương tự với các tầng tương ứng trong mơ hình OSI. Việc làm này nhằm mục đích giúp người dùng NS-2 kết hợp các giao thức phù hợp với yêu cầu của riêng họ.
NS-2 được phát triển bởi ngôn ngữ C++, tuy nhiên mô-đun điều khiển mô phỏng được viết bằng OTcl. Điều này cho phép người sử dụng chỉ định một cách rõ ràng và có khả năng tùy biến cao với mơ phỏng mà khơng cần can thiệp vào mã nguồn C++.
Hình 4. 1: Tổng quan kiến trúc của NS2 đƣợc đơn giản hóa
Trong bộ chương trình mơ phỏng mạng NS-2, chương trình mơ phỏng NS- 2 là thành phần chính, được tích hợp các mơ hình lưu lượng hay được sử dụng trong nghiên cứu. Các ứng dụng phổ biến khác cũng được tích hợp trong NS-2 như WEB, FTP, Telnet… Các giao thức như TCP, UDP, SCTP cũng được NS-2 hỗ trợ rất tốt. Nhiều phương pháp định tuyến phổ biến trong các mạng có dây và khơng dây cũng như các môi trường vật lý khác nhau đã và sẽ được đưa vào bộ mô phỏng NS-2.
Thành phần thứ hai là các công cụ hiển thị thực quan NAM và và công cụ vẽ đồ thị XGRAPH. NAM là công cụ hiển thị cho phép người dùng thấy được hình ảnh trực quan của các đối tượng tham gia mô phỏng cũng như các hoạt động cụ thể của chúng, sự chuyển động của các gói số liệu trên mạng. XGRAPH là một ứng dụng có khả năng vẽ đồ thị trong khơng gian hai chiều, dựa trên dữ liệu nhận vào từ các tệp dạng văn bản, do chương trình mơ phỏng sinh ra. Người nghiên cứu thường sử dụng XGRAPH để hiển thị và so sánh các kết quả nhận được dưới dạng đồ thị và các kết quả này có thể được lưu lại phục vụ cho các chương trình khác. NAM và XGRAPH đều sử dụng tệp vết (trace file), là tệp chứa thông tin vết các sự kiện trong thời gian tiến hành chạy mô phỏng, làm tệp đầu vào. Ngồi ra, người dùng có thể dùng các cơng cụ khác như các ngôn ngữ Awk, Perl hoặc Tcl để xử lý tệp kết quả này phục vụ cho mục đích nghiên cứu.
4.1.2. Mơi trường mô phỏng
Thông thường đối với các cấu trúc liên kết mạng lớn thì các mẫu chuyển động và các mẫu lưu lượng được định nghĩa riêng cho thuận lợi và chúng được tạo ra bởi máy các nguồn phát được hỗ trợ sẵn trong chương trình mơ phỏng mạng NS2. Trong NS2, các tệp mẫu cần thiết để giả lập một mạng gồm những file như sau:
- Tệp ngữ cảnh (Scenario File): tệp ngữ cảnh chứa các mẫu chuyển động của các nút. Ngữ cảnh mơ phỏng có thể là ngữ cảnh tĩnh (thiết lập tọa độ của các nút mạng) hoặc có thể tự động được sản sinh ra bởi các cơng cụ (ví dụ. Cơng cụ Setdest).
- Tệp chương trình chính (Main Program File): File chương trình chính chỉ định các thiết lập chung cho việc thực hiện mô phỏng. Các tham số bao gồm: giao thức nào sẽ được mô phỏng, tên và vị trí của dữ liệu ra sau khi thực hiện mơ phỏng (trace file), tên và vị trí của file trực quan hóa (NAM file).
-Tệp NAM: đây là công cụ hiển thị trực quan hóa cho các thiết lập ở tệp chương trình chính. Cửa sổ NAM sẽ cho ta thấy được hoạt động của các nút mạng trong mạng theo trình tự thời gian.
Chương trình mơ phỏng mạng NS2 hỗ trợ việc mơ phỏng cả mạng có dây, mạng khơng dây và mạng hỗn hợp cả có dây và khơng dây.
4.1.3. Tệp vết (File Trace)
Dữ liệu ra sau khi mô phỏng với NS-2 thường được lưu trong một tệp, tệp này được gọi là tệp dấu vết (trace file). Tệp dấu vết chứa thông tin về các sự kiện của gói tin xảy ra trong suốt thời gian mô phỏng theo từng tầng: tầng MAC, tầng mạng, tầng giao vận, tầng ứng dụng.
Sau khi mô phỏng thành công, tệp dấu vết sẽ chứa các thông tin chi tiết về các sự kiện xảy ra trong mạng theo các mốc thời gian mơ phỏng. Tệp vết có chứa rất nhiều các thơng số quan trọng để có thể giúp chúng ta phân tích được ảnh hưởng
của các tham số truyền vào mạng. Ví dụ dưới đây là là định dạng của một tệp vết trong mạng không dây:
Hình 4. 2: Định dạng của tệp vết mạng không dây trong NS2
Tệp vết của mạng khơng dây trong NS2 có 2 phần như sau:
- Phần cơ bản: chứa các thơng tin cơ bản cho việc phân tích mạng khơng dây ở tầng MAC.
- Phần mở rộng: chứa các thơng tin phục vụ cho việc phân tích mạng khơng dây ở tầng mạng và tầng ứng dụng.
Cụ thể các thông số trong các trường như sau:
- Event Type: dạng sự kiện được lưu trong tệp vết.
“s”: gói tin gửi.
“r” gói tin nhận.
“D” gói tin bị loại.
“f” gói tin được chuyển tiếp đến đích. - Time: thời gian xảy ra sự kiện.
- Node ID: số thứ tự của node trong kịch bản mô phỏng. - Trace Level: mức theo dõi của tệp vết.
“AGT”: gói tin tầng ứng dụng.
“RTR” :gói tin định tuyến tầng mạng (routing).
“MAC”: gói tin trao đổi ở tầng MAC.
- Reason: lí do cho sự kiện (ví dụ “NRTE” là No RouTe Entry). - Packet Unique ID : ID của gói tin.
- Payload Type: dạng tải của gói tin. - Packet Size: kích thước gói tin.
- Time to Send Data: thời gian trễ dự kiến cần thiết để truyền gói tin trên mạng khơng dây được chỉ ra bởi các giao thức tầng MAC. - Destination MAC Address: địa chỉ MAC đích.
- Source MAC Address: địa chỉ MAC nguồn.
- Ethernet packet type: dạng gói tin (ví dụ IP là 800).
- Source IP Address, Source IP port : IP nguồn và cổng nguồn. - Destination IP Address, Destination IP port : IP đích và cổng đích. - Time to Live: thời gian sống của gói tin.
- Next hop IP Address: địa chỉ IP của nút mạng tiếp theo trong q trình định tuyến.
- Phần cịn lại là định dạng được định nghĩa riêng cho từng giao thức định tuyến, ví dụ như hình trên là dành cho giao thức định tuyến AODV.
Như đã nói ở phần trước, bộ mơ phỏng NS-2 là mã nguồn mở. Điều này có nghĩa là trong trường hợp cần thiết, muốn tăng lượng thông tin trong file dấu vết hồn tồn có thể sửa đổi mã nguồn của NS-2 để thực hiện điều này.
4.2. Triển khai mô phỏng và kết quả
4.2.1. Mục đích mơ phỏng
Mục đích của việc mơ phỏng mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) là để tìm hiểu rõ hơn về các giao thức trong Zigbee, cũng như dựa vào mơ hình mơ phỏng có thể đánh giá được các giao thức trong mạng Zigbee với các mạng không dây khác, cụ thể là mạng theo chuẩn IEEE 802.11. Đồng thời thơng qua mơ phỏng cũng có thể đánh giá được các cải tiến mà mạng Zigbee đã mang lại trên tầng MAC và tầng vật lí được thiết kế theo chuẩn IEEE 802.15.4.
4.2.2. Thí nghiệm và kết quả mơ phỏng và đánh giá
Mơ hình tĩnh : các nút mạng khơng dây được bố trí như trên hình 4.3 với các thông số mạng như sau:
- Số nút (trạm) trong mạng là 101, được bố trí đều đặn trong khơng gian mô phỏng là 80x80 m2
, cự li phát sóng (radio range) được thiết lập bằng 9m, do đó mỗi nút mạng chỉ có thể liên lạc được với các nút nằm theo hướng song song với 2 đường chéo của diện tích hình chữ nhật 80x80 m2 (đối với mỗi nút, các nút hàng xóm theo hướng Đơng, Bắc, Tây, Nam của nó đều có khoảng cách bằng 80/7 ≈11,5m, do đó khơng thể liên lạc trực tiếp được).
Hình 4. 3: Mơ hình mơ phỏng mạng khơng dây tĩnh
- Việc truyền thông của cả 8 cặp nút 63-61, 87-97, 79-77, 99-85, 64-62, 88-98, 80-78 và 100-86 đều sử dụng giao thức UDP, các thực thể gửi của UDP được gắn với các nguồn sinh lưu lượng với phân bố các gói tin đưa vào mạng là phân bố đều, nghĩa là nguồn thuộc loại CBR (Constant Bit Rate). Việc chọn CBR là để có thể chủ động điều khiển tải đưa vào mạng.
- Tải mạng sẽ được đưa tăng dần theo giá trị PPS (Packets per second). Các giá trị tải mạng lần lượt được đưa vào là 0.1pps, 0.5pps, 1pps, 10pps và 20pps tuần tự ở các giây thứ 21, 21.5, 22, 22.5, 23, 23.5, 24, 24.5 trong thời gian mơ phịng. Các thí nghiệm khơng áp dụng các mơ hình lỗi vào truyền thơng.
- Thời gian chạy mô phỏng là 300 giây. Các gói tin dữ liệu được đưa vào qua nguồn CBR cố định sẽ được bắt đầu từ giây thứ 21 (đủ thời gian để mạng khởi tạo, thiết lập) và kết thúc vào giây thứ 295 để đảm bảo mạng sẽ kết thúc mô phỏng vào giây thứ 300 và tất cả gói tin đều có đủ thời gian đến đích.
- Giao thức định tuyến AODV (với IEEE 802.11 và IEEE 802.15.4) và định tuyến ZBR (Zigbe Routing). Băng thông (bandwidth) kênh
truyền của các nút mạng được thiết lập bằng 250 Kbps. Kích thước gói tin bằng 80 byte (như vậy băng thơng được tính xấp xỉ 400pps).
- Tỉ lệ gói tin đến đích PDR (Packet Delivery Ratio): được tính bằng tỉ lệ của tổng số gói tin gửi đến đích so với tổng số gói tin gửi đi. Tỉ số PDR cho thấy được tỉ lệ gói tin đến đích thành cơng. Mạng sẽ có hiệu năng tốt hơn nếu tỉ số này cao.
- Chi phí gói tin RTS/CTS : được tính bằng tỉ số số lượng gói tin RTS và CTS và số lượng gói tin truyền dữ liệu. Chí phí này cung cấp cho riêng mạng theo chuẩn IEEE 802.11
- Độ trễ gói tin đến đích trung bình (Average End-to-end Delay): thời gian trung bình để một gói dữ liệu có thể đến đích, bao gồm trễ trong quá trình định tuyến và phục vụ hàng đợi, chỉ có các gói dữ liệu chuyển thành cơng đến đích mới được tính. Mạng có độ trễ trung bình thấp hơn là mạng hoạt động hiệu quả hơn. Độ trễ trung bình được tính bằng trung bình cộng thời gian cần của các gói tin đến đích.
- Tỉ lệ mất gói tin (Packet Loss): là tỉ lệ các gói tin bị loại bỏ hoặc bị mất trong một đơn vị thời gian trong q trình mơ phỏng thí nghiệm. Tỉ lệ mất gói được tính bằng hiệu số của số gói tin nhận được và gói tin đã gửi chia cho thời gian gửi tin. Tỉ lệ mất gói thấp đồng nghĩa với mạng có hiệu năng tốt hơn.
- Tải định tuyến chuẩn hóa (Normalized Routing Load): là tỉ lệ tổng số gói tin định tuyến trên tổng số gói tin dữ liệu được nhận. Tiêu chuẩn này đánh giá hiệu quả của sự định tuyến, mạng sẽ có hiệu năng truyền tải dữ liệu tốt hơn nếu giá trị tải định tuyến của mạng thấp hơn.
- Mức tiêu thụ năng lượng (Energy Consumption ): là tỉ lệ giữa năng lượng đã tiêu tốn trong quá trình vận hành của mạng và năng lượng lúc ban đầu. Độ tiêu tốn năng lượng cho ta thấy được hiệu quả sử dụng năng lượng của các giao thức trong mạng. Một mạng có mức tiêu tốn năng lượng thấp hơn là mạng tiết kiệm năng lượng hơn. .
4.2.2.1. Đánh giá hiệu năng tầng MAC của mạng không dây cá nhân Zigbee (IEEE 802.15.4)
Tầng MAC của mạng Zigbee được kế thừa theo thiết kế theo chuẩn IEEE 802.15.4, vì vậy có thể dùng mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 để đánh giá hiệu năng tầng MAC của mạng Zigbee. Trong thí nghiệm đánh giá hiệu năng của tầng MAC, có ba mạng được thiết lập để so sánh bao gồm:
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.11 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng tạo thành một mạng tương tự mạng Wifi Ad- hoc.
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng với chế độ sử dụng gói Beacon với SO=BO=3.
- Mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 và cài đặt giao thức định tuyến AODV ở tầng mạng với chế độ khơng sử dụng gói Beacon (Non- Beacon).
Mục đích thiết lập thí nghiệm là để so sánh hiệu năng giữa mạng theo chuẩn IEEE 802.11 hỗ trợ trạm ẩn/trạm lộ bằng cơ chế RTS/CTS với mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 chấp nhận không hỗ trợ RTS/CTS để giảm chi phí truyền gói tin. Đồng thời, thí nghiệm cũng so sánh được hiệu năng của hai chế độ truyền dữ liệu trong mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) là chế độ sử dụng beacon (sử dụng Slotted CSMA/CA) và chế độ không sử dụng beacon (sử dụng cơ chế truyền Unslotted CSMA/CA)
Có 2 tiêu chí để đánh giá hiệu năng tầng MAC là tỉ lệ gói tin đến đích thành cơng ở tầng MAC (tính tất cả các gói tin được truyền lại và chuyển tiếp ở tất cả các nút mạng) và năng lượng tiêu thụ ở tầng MAC.
Bảng kết quả nhận được phân tích tệp vết mơ phỏng và nhận xét:
Tỉ lệ gói tin đến đích tầng MAC:
Hình 4. 4: So sánh tỉ lệ gói tin đến đích thành cơng ở tầng MAC của chuẩn IEEE 802.11 và Zigbee (IEEE 802.15.4)
0.1pps 0.5pps 1pps 5pps 10pps 20pps
IEEE802.11 - AODV 99.9663 99.3283 97.5677 96.5773 94.2604 93.4483
IEEE802.15.4 - AODV (Beacon) 86.4078 86.0688 78.2699 70.5151 66.2264 64.5042
IEEE802.15.4 - AODV (Non-
Beacon) 100 98.3044 85.0186 83.4589 65.5885 64.7612 0 20 40 60 80 100 120 Tỉ lệ gó i t in đế n đí ch ( % )
Tỉ lệ gói tin đến đích - Tầng MAC
Nhận xét :
Ở tầng MAC, khi tốc độ gói tin đưa vào mạng tăng lên, tỉ lệ các gói tin đến đích của mạng IEEE 802.11 (AODV) có xu hướng giảm khá chậm và giữ ổn định ở mức 97-93%, trong khi đó các gói tin của mạng Zigbee (IEEE 802.15.4) lại giảm một cách nhanh chóng (từ 89% xuống cịn 64% ở tầng MAC). Điều này xảy ra là do mạng IEEE 802.11 (AODV) có cơ chế RTS/CTS để khắc phục hiện tượng trạm ẩn và trạm lộ, trong khi Zigbee (IEEE 802.15.4) không sử dụng sẽ làm tăng khả năng xảy ra hiện tượng đụng độ này trong mạng khi tải hệ thống được tăng dần.
Qua thí nghiệm này cũng có thể thấy được việc truyền thông bằng mạng không sử dụng beacon (unslotted CSMA/CA) sẽ cho tỉ lệ gói tin đến đích tốt hơn mạng sử dụng beacon (slotted CSMA/CA) ở tốc độ thấp do không phải thực hiện việc đồng bộ và chờ đợi đến phiên truyền. Tuy nhiên khi tải mạng tăng cao (10pps và 20pps), mạng truyền không sử dụng beacon cũng giảm dần về cùng tỉ lệ với mạng truyền sử dụng beacon vì khi số lượng các gói tin truyền tăng, đụng độ sẽ xảy ra nhiều hơn với mạng khơng sử dụng beacon.
Chi phí để thực hiện cơ chế RTS/CTS cũng được đưa ra ở đồ thị hình 4.5,