2.2 6LOWPAN PROTOCOL STACK
2.2.1 802.15.4 Physical layer
L p v t lý là l p d i cùng trong mơ hình tham chi u OSI đ c s d ng trên toàn th gi i và các l p giao th c truy n các gói tin b ng cách s d ng nó
L p v t lý (PHY) cung c p d ch v truy n d li u. Nó c ng cung c p giao di n cho th c th qu n lý l p v t lý, cung c p quy n truy c p vào m i ch c n ng qu n lý l p v t lý và duy trì c s d li u thông tin trên các m ng khu v c cá nhân liên quan. Do đó, PHY qu n lý b thu phát vô tuy n v t lý, th c hi n l a ch n kênh cùng v i các ch c n ng qu n lý n ng l ng và tín hi u. Nó ho t đ ng trên m t trong ba d i t n có th khơng đ c c p phép:
868,0–868,6 MHz: Châu Âu, cho phép m t kênh liên l c (2003, 2006, 2011)
902–928 MHz: B c M , ban đ u đ c phép t i đa m i kênh (2003), nh ng sau đó đư đ c m r ng đ n ba m i (2006)
2400–2483,5 MHz: s d ng trên toàn th gi i, lên đ n m i sáu kênh (2003, 2006) Contiki, l p PHY h tr 2 b ng t n: 1 t n d i 1GHz và 1 2.4GHz v i 26 channel. Vì dùng chung b ng t n v i m ng Wifi 2.4GHz mà m ng 6loWPAN d dàng b overheard. Do đó ta c n l a ch n kênh phù h p khi b trí m ng trong nhà, trong các tịa cao t ng n i có m ng Wifi dày đ c. Ta cùng xem xét hình 2.6 d i đây đ th y đ c m ng 6loWPAN và m ng Wifi ch ng l n kênh nhau, và th y đ c kênh 15, 20, 25 và 26 có th l a ch n đ s d ng m ng 6loWPAN trong môi tr ng dày đ c Wifi.
14
Hình 2.6 Phân b t n s trong IEEE 802.15.4
2.2.2 Link layer
Giao th c MAC (Media Access Control) mô t l ng truy c p trung bình đ c th c hi n trong m ng, b ng cách thi t l p các quy t c xác đ nh khi nào m t nút cho phép truy n các gói d li u. Các giao th c đ c chia theo s ki n ho c d a trên s đ t ch . Th nh t d a trên Carrier Sensing đ phát hi n ho t đ ng trung bình, nó d b va ch m và t n nhi u n ng l ng khi có nhi u nút ho t đ ng nh ng đây là cách d th c thi. Cịn nhóm th 2 có hi u qu v m t n ng su t và n ng l ng nh ng l i yêu c u đ ng b ph i chính xác và ít thích nghi v i d ng dynamic traffic. Khác v i thông th ng, l p Link c a Contiki đ c chia làm 3 l p: Framer, Radio Duty Cycle (RDC) và Medium Access Control (MAC).
15
L p con RDC là l p ch u trách nhi m v ch đ ng chu k c a các nút, quy t đ nh th i đi m g i m t gói tin, tùy thu c vào th i gian đánh th c c a ng i nh n.
Có m t s giao th c RDC có th đ c tri n khai trong m ng c m bi n không dây, nh ng trong
lu n đi m này, s chú ý s đ c t p trung vào b ncác giao th c đ c s d ng trong Contiki: ContikiMAC, LPP, CXMAC và NullRDC.
Cu i cùng, l p con MAC, ch u trách nhi m cho vi c truy n l i các gói b m t.
Framer là m t b các ch c n ng đ đóng khung d li u đ c truy n, và đ phân tích d li u nh n đ c,trong đó đáng chú ý là framer-802.15.4 và framer-nullmac.
2.2.3 Network layer
Hình 2.8 M ng 6LoWPAN. Ngu n [6]
L p m ng 6LoWPAN cung c p kh n ng k t n i internet cho các nút c m bi n. Các ho t đ ngc a l p này là giao th c đ a ch , ánh x và đ nh tuy n. Nh đư mơ t tr c đó, quy t đ nh đ nh tuy n theo l i x y ra trong l p thích ng 6LoWPAN. M t khác, quy t đ nh đ nh tuy n theo tuy n x y ra trong l p m ng 6LoWPAN. Trong l c đ đ nh tuy n, m i b c nh y c a l p liên k t là m t b c nh y IP và m i nút ho t đ ng nh m t b đ nh tuy n IP. Gói tin đ c chuy n ti p t ng b c t ngu n đ n đích gi a các liên k t này. T i tr ng c a gói đ c gói g n trong tiêu đ IP. Sau đó, gói IP đ c phân m nh và các m nh này đ c g i đ n b c ti p theo d a trên thông tin b ng đ nh tuy n. N u l p thích ng trong b c ti p theo nh n đ c t t c các phân m nh thành cơng, thì nó s t o m t gói IP t các phân m nh và g i nó lên l p m ng. Sau đó, l p m ng s g i gói đ n l p trên (l p v n chuy n), n u gói
16
đó đ c đ nh s n. N u khơng, nó chuy n ti p gói tin t i b c ti p theo theo thông tin b ng đ nh tuy n. Tuy nhiên, n u thi u m t s đo n, t t c các đo n s đ c truy n l i trong m t b c nh y.
2.2.3.1 IPv6 và Routing
UIP là m t stack TCP/IP mư ngu n m đ c thi t k đ s d ng ngay c v i các b vi đi u khi n 8 và 16 bit nh .
Chúng ta có th l a ch n m t s k thu t đ nh tuy n, nh ng ch y u chúng đ u có chung m t m c đích: đ m b o r ng các gói d li u đ n đúng đích. i u này đ c th c hi n theo nhi u cách khác nhau tùy thu c vào các y u t nh s li u đ nh tuy n (cách tuy n đ ng đ t tiêu chu n và t t h n các tuy n đ ng khác), li u vi c đ nh tuy n có đ c th c hi n đ ng ho c t nh không, v.v ...
Trong Contiki, giao th c đ nh tuy n m c đ nh là RPL. Các giao th c khác nh Adodway On-Demand Distance Vector (AODV) không n m trong ph m vi c a ph n này. Các chi ti t c th c a vi c th c hi n RPL n m ngoài ph m vi c a ph n này, nhóm ch mơ t các c u hình thơng th ng và cung c p khái ni m ng n g n v RPL. bi t thêm chi ti t, chúng ta có th theo đ ng d n sau: core/net/rpl.
RPL - IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks: RPL là m t giao th c
đ nh tuy n IPv6 cho các m ng có cơng su t th p và m t gói đ c thi t k b i IETF Routing Over Low và m ng Lossy (lossy network), đ c s d ng làm giao th c đ nh tuy n de facto trong Contiki. RPL là m t giao th c vector kho ng cách ch đ ng, nó b t đ u tìm ki m các tuy n đ ng ngay khi m ng RPL đ c kh i t o.
17 RPL h tr 3 ki u traffic:
Multipoint-to-point (MP2P).
Point-to-multipoint (P2MP).
Point-to-point (P2P).
RPL xây d ng Destination Oriented DAGs (DODAGs) root m t m ng (DAG ROOT) đ c xác đ nh b i m t s nh n d ng duy nh t DODAGID. Các DODAG đ c t i u hóa b ng cách s d ng Ch s M c tiêu (OF) đ c xác đ nh b i i m M c tiêu (OCP), ch ra các ràng bu c đ ng và các ch s nh s hop, đ tr , s l n truy n mong đ i, l a ch n cha m , m c tiêu th n ng l ng ... S b c đ c gán cho m i nút có th đ c s d ng đ xác đ nh v trí t ng đ i và kho ng cách đ n g c trong DODAG.
Trong m t m ng, có th có nhi u các RPL. M t nút RPL có th thu c v các RPL khác, và có th ho t đ ng nh m t b đ nh tuy n. M t t p h p nhi u DODAG có th đ c đ t trong RPL INSTANCE và m t nút có th là m t thành viên c a nhi u RPL INSTANCE, nh ng có th thu c v nhi u nh t m t DODAG cho m i DAG INSTANCE.
M t c ch đ nh th i nh gi t quy đ nh truy n tin DODAG Information Object (DIO), đ c s d ng đ xây d ng và duy trì các tuy n trên c a DODAG, qu ng bá RPL c a nó, s phiên b n DODAG ID, RANK và DODAG. M t nút có th u c u thơng tin DODAG b ng cách g i Thông đi p Solicitation c a DODAG (DIS), thu th p thông đi p DIO t các vùng lân c n đ c p nh t thông tin đ nh tuy n vàtham gia m t cá th .
Các nút ph i theo dõi các thông báo DIO tr c khi gia nh p m t DODAG, và sau đó tham gia vào m t DODAG b ng cách ch n m t Node parent t các m ng lân c n s d ng đ tr qu ng bá c a nó, OF và RANK. Các thơng đi p Qu ng bá ích (DAO) đ c s d ng đ duy trì các tuy n xu ng b ng cách ch n parent đ c u tiên có b c th p h n và g i m t gói tin t i DAG ROOT qua t ng Nút trung gian.
RPL có hai c ch đ s a ch a tô pô c a DODAG, m t đ tránh l p l i và cho phép các nút n i/tham gia l i, và hai g i là s a ch a toàn c u. S a ch a toàn c u đ c b t đ u t i ROOT DODAG b ng cách t ng S Phiên b n DODAG đ t o m t Phiên b n DODAG m i.
18
2.2.4 Transport layer
L p Transport t o ra các phiên giao ti p gi a các ng d ng đang ch y trên các thi t b đ u cu i. L p này cho phép nhi u ng d ng trên m i thi t b có kênh giao ti p riêng. TCP là giao th c truy n chi m u th trên Internet. Tuy nhiên, TCP là m t giao th c d a trên k t n i (bao g m packet ordering) v i chi phí l n và do đó khơng ph i lúc nào c ng thích h p cho các thi t b địi h i tiêu th đi n n ng c c th p. i v i nh ng lo i h th ng này, UDP, v i chi phí th p, chi m tài nguyên ít, giao th c connectionless (ngh a là có gói tin nào là đ y ngay vào đ ng truy n mà không c n thi t l p các k t n i tr c), có th là m t l a ch n t t h n.
Giao th c UDP:
Là m t giao th c truy n t i theo ph ng th c connectionless đi n hình. Giao th c c a ph ng th c này không xây d ng k t n i tr c khi truy n mà truy n tr c ti p ngay l p t c –truy n theo ki u besteffort(truy n t ng l c). Ph ng th c connectionless c ng khơng có các ph ng th c đ m b đ tin c y nh báo nh n, đi u khi n k t n i ( flow control ), hay ki u đánh s th c t các gói tin b ch t nh trên đ ng truy n. Nên giao th c này truy n t i r t nhanh, đ c dùng cho các gói tin nh Voice hay Video. Tuy nhiên ho t đ ng truy n này khơng có đ tin c y cao và d gây m t gói và gây l i.
Giao th c TCP:
là m t giao th c có ph ng th c truy n t i d ng connection –oriented và mang các đ c đi m :
C n ph i th c hi n thi t l p k t n i đ u xa tr c khi th c hi n trao đ i d li u, ti n trình thi t l p k t n i này đi n hình cho giao th c TCP g i là ti n trình Threeway handshake.
Th c hi n các c ch báo nh n khi truy n d li u, m i segment g i đi đ u ph i đ c báo nh n (Acknowledge), nh ng segment nào khơng đ c b t ACK thì coi nh ng segment l i và ph i x lí đ b t ACK và truy n l i.
19
Kèm theo c ch đi u khi n k t n i – đi u khi n lu ng d li u (flow control) đ x lí tránh ng n đ ng truy n. M t k t n i TCP c ng đ c xem nh m t c p đ ng k t n i lu n lý gi a 2 host end to end, m i đ ng ph c v cho m t h ng truy n d li u – ki u truy n full duplex.
2.2.5 Application layer
nh d ng 6LoWPAN đ cmô t trên giao ti p IPv6 đ c th c hi n trong các khung 802.15.4 và ch đ nh các ph n t chính c a l p thích ng. 6LoWPAN có ba ph n t chính:
• Phân m nh và l p ráp l i
Kích th c gói IPv6 trên IEEE 802.15.4 là 1280 byte. Tuy nhiên, kích th c gói l n h n khung IEEE 802.15.4. Trong đi u ki n này, kích th c gói IPv6 khơng th đ c đóng gói trong m t khung IEEE 802.15.4. Các đ n v d li u giao th c 802.15.4 có nhi u kích c . Nó ph thu c vào chi phí x y ra. n v truy n t i đa (MTU) cho IEEE 802.15.4 là 127 byte. Khung này có 25 byte, đ u trang, chân trang và đ a ch , chi phí. Ngồi ra, tiêu đ b o m t do L p link áp đ t thêm 21 byte b o v khi AES-CCM-128 đ c s d ng. K t qu là, ph n còn l i cho t i tr ng là 81 byte nh trong hình bên d i.
Hình 2.10 C u trúc IEEE 802.15.4 frame
Do v n đ này, m t IPv6 c n đ c truy n qua khung IEEE 802.15.4 ph i đ c chia thành nhi u h n 16 phân m nh. Do đó, l p thích ng nên x lý q trình phân m nh và l p ráp l i.
• Nén tiêu đ
IEEE 802.15.4 đ nh ngh a b n lo i khung: khung báo hi u, khung l nh MAC, khung báo nh n và khung d li u. Hình bên d i cho th y các gói IPv6 ph i đ c mang trên các khung d li u. Sau khi gói đ c phân m nh và truy n qua các khung IEEE 802.15.4, m i phân m nh mang m t ph n c a các gói IPv6 ban đ u.
20
Hình 2.11 C u trúc IEEE 802.15.4 frame
Khung IEEE 802.15.4 có kích th c gói t i đa là 128 byte; thay vào đó kích th c tiêu đ IPv6 là 40 byte, kích th c tiêu đ Giao th c d li u ng i dùng (UDP) và Giao th c thông báo đi u khi n Internet (ICMP) đ u là 4 byte, tiêu đ phân m nh thêm 5 byte n a. N u khơng có tính n ng nén, 802.15.4 khơng th truy n t i b t k tr ng t i nào m t cách hi u qu .
• Routing
Có m t s giao th c đ nh tuy n hi n có trong 6LoWPAN nh : 6LoWPAN Ad-hoc On- Demand Distance Vector (LOAD), Multipath based 6LoWPAN Ad-hoc On-Demand Distance Vector (MLOAD), Dynamic MANET On-Demand for 6LoWPAN Routing (DYMO-Low), Hierarchical Routing (Hi-Low), Extended Hi-Low and Sink Adhoc On- Demand Distance Vector Routing (SAODV).
21 CH NG 3 CÁC C CH B O M T CHO 6LOWPAN 3.1 Nh ng h n ch c a các ph ng pháp b o m t 6loWPAN hi n nay
Hi n nay giao th c 6loWPAN đang đ c b o m t và an toàn d a trên 802.15.4 security sublayer đ lo i b các khung tin t n công ho c phát l i b ng vi c thêm vào trong khung tin mư xác th c thông đi p (MIC - Message Integrity Code) và s đ m khung (frame counter), ngồi ra các khung tin cịn đ c mư hóa b i m t key chung. Tuy v y, nh ng th c thi này b c l ra nhi u đi m h n ch mà k t n cơng có th khai thác.
Hình 3.1 Khung tin 6loWPAN truy n th ng. Ngu n [4]
C ch tham gia m ng 6LoWPAN còn ph thu c vào l p Network n i giao th c RPL l y nút ch u trách nhi m root trong m ng làm ch , n m quy n do đó các nút con ch quan tâm đ n nút ch đó mà khơng quan tâm đ n hàng xóm c a mình (các nút c ng ch u root b i nút ch ), khi khơng có c ch xác th c các hàng xóm c a mình thì vi c k t n cơng gi d ng r i l y gói hay "tiêm" các gói làm ngh n m ng r t d x y ra.
Vi c s d ng key chung cho tồn m ng khơng an tồn vì khi đư đ c tham gia vào m ng l p Network thì vi c trích ra trong các gói tin trao đ i hồn tồn có th x y ra. [34]
22
Ngồi ra cịn có m t ph ng pháp là m i m i nút m ng m i key. i u này khơng th c t vì n u nút m ng dày đ c, m i nút ph i l u tồn b các thơng tin sau: key (ít nh t 16bytes), frame counter (t 2-4bytes) chính vi c này đư không phù h p v i b nh c c kì h n ch c a m ng 6LoWPAN.
S d ng frame counter khơng có c ch x lý khi node b reboot (h t pin, l i stack, v.v...) ho c r i kh i m ng nên d dàng khai thác khi k t n cơng có th phát l i nh ng khung tin tr c đó. H n n a frame counter ch đ dành cho có khung tin unicast mà gói tin broadcast