2.3 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa
Các giao thức định tuyến phải được thiết kế phù hợp với các yêu cầu của ảo
hóa được trình bàyở phần 1.2.2. Các yêu cầu ảo hóa ảnh hưởng đến sự lựa chọn thiết kế và hướng các giao thức định tuyến phải tuân theo. Đó là việc ảo hóa các
nguồn tài nguyên của các nút cảm biến nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên có sẵn này. Để đạt được mục tiêu như vậy, mỗ i nút sẽ có một tập các thuộc tính mơ tả các nguồn tài nguyên của nó (ví dụ như tài ngun phần cứng, kết nối, năng lượng, và tính năng liên quan đến sự bảo mật, độ tin cậy). Để hỗ trợ ảo hóa nguồn tài nguyên nút, đầu tiên phải định nghĩa các bản tin cần thiết và cách thức để truyền đạt các thông tin liên quan đến cá tài nguyên nút cảm biến. Thứ hai, các thuật tốn sẽ sử dụng những thơng tin này để biến nó thành lợi ích của việc ảo hóa mạng cảm biến khơng dây cần phải được thiết kế trong các giao thức định tuyến của mạng.
Mục tiêu của sự hình thành VSN là cho phép một số lượng lớn các nút không
đồng nhất tồn tại trong một khu vực địa lý để giao tiếp trực tiếp với nhau. Mỗi mạng ảo con trong mạng tham gia vào một dịch vụ khác nhau sẽ bao gồm các nút đồng
nhất với nhau về mặt tài nguyền và sẽ có một cơ chế định tuyến nhất định. Do các yêu cầu của các dịch vụ rất đa dạng, phức tạp và khác nhau đối với mỗi dịch vụ, kéo theo đó cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo cũng khác nhau. Vì thế định tuyến có
vai trị vơ cùng quan trọng và then chốt trong trong việc ảo hóa mạng cảm biến
khơng dây. Nó giúp đáp ứng các yêu cầu đa dạng, phức tạp của mỗi loại dịch vụ, và
cũng từ sự thỏa mãn được những yêu cầu đó, những dịch vụ này mới có thể cùng
nhau tồn tại trên một nền vật lý, tạo nên sự gắn kết giữa các nút mạng không đồng nhất vơi nhau. Đó cũng chính là mục đích của việc ảo hóa.
Để đặc trưng cho tính chất và mức độ ưu tiên của mỗi dịch vụ, khái niệm
thông số định tuyến (routing metric) được đưa vào. Dựa vào thông số định tuyến,
người ta có thể xây dựng lên các hàm định tuyến, từ đó xác định được cơ chế định
tuyến cho mỗi mạng ảo. Trong giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây thông thường trước đây, các thông số định tuyến chủ yếu bao gồm khoảng cách
hoặc độ trễ. Tuy nhiên khi khái niệm ảo hóa mạng cảm biến được đưa vào nghiên cứu và tìm hiểu thì việc sử dụng hai thông số định tuyến trên không thể đáp ứng
được hết những yêu cầu của các loại dịch vụ. Việc ảo hóa cũng khơng thể chỉ dừng
lại ở những yếu tố trước đây đã biế t đến mà còn phải tiếp tục mở rộng và đẩy mạnh
ảo hóa các tài nguyên khác của nút, để việc ảo hóa thực sự mang lại nhiều lợi ích hơn nữa. Hiện nay, các thông số định tuyến đãđược tăng cường bao gồm nhiều hơn
các tài nguyên ảo của nút, mỗi dịch vụ có thể được hỗ trợ nhiều thơng số định
tuyến.
Các nghiên cứu về ảo hóa trong mạng cảm biến không dây cho tới thời điểm này còn rất hạn chế và vơ cùng ít ỏi. VITRO là một trong số các nghiên cứu khá
mới mẻ và ítỏi đó. VITRO (Virtualized dIsTributed platform of Object) là một dự án nằm trong chương trình FP7 -ICT do tổ chức ELLINIKI AEROPORIKI
VIOMICHANIA ANONYMI ETAIREIA của châu âu thực hiện. Dự án tập trung nghiên cứu vào phát triển kiến trúc, các thuật toán và phương pháp kỹ thuật, cho phép thực hiện nền tảng VSN có khả năng mở rộng, linh hoạt, thích nghi và tiết kiệm năng lượng. Trong VITRO, các thông số định tuyến có thể được phân loại
theo các đặc điểm sau:
- Liên kết và nút : Các thơng số nút chỉ ra các thuộc tính tồn tại của mạng
như năng lượng và các điều kiện quá tải mạng, trong khi các thông số liên kết chỉ ra cá thuộc tính truyền thơng như thơng lượng hoặc độ trễ.
- Động và tĩnh: Tần số của các thông số định kỳ được cập nhật là rất quan trọng như các thông số thường xuyên được cập nhật một mặt cung cấp
một mức độ chính xác và cập nhật thông tin nhưng mặt khác đặt ra những thách thức mới. Một trong những thách thức chủ yếu là liên quan đến các thơng số động là để kiểm sốt một cách cẩn thận tốc độ số liệu mới được quảng bá và bao gồm cả những quyết định trong đ ịnh tuyến. Sử dụng
không đúng cách và rất thường xuyên cập nhật có thể dẫn tới những bất
- Chất lượng và số lượng: Một số thông số được định lượng tự nhiên và có thể bao gồm tập hợp các hàm (phép cộng, phép nhân) cung cấp khả năng đưa ra quyết định định tuyến dựa trên các giá trị tốt nhất của các thơng số được tính tốn.Chất lượng là chủ yếu liên quan đến những ràng buộc (ví dụ để tránh các nút có năng lượng dưới một ngưỡng xác định trước). - Các thông số định tuyến được tổng hợp và ghi lại: sự phân biệt này chỉ có (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
giá trị cho các thông số định lượng và không ràng buộc. Chức năng tổng hợp (thường là bổ sung) có thể được sử dụng để cung cấp các thông số định tuyến và trong loại này mỗi nút tính tốn dọc theo đường định tuyến
và cập nhật các thông số. Mặt khác trong một số trường hợp mỗi thông số liên kết riêng lẻ được ghi lại và thông tin này được lan truyền với các cơ chế định tuyến.
- Cục bộ và tồn bộ: Một số thơng số là cục bộ khi nó khơng được truyền
dọc theo tuyến đường. Trong trường hợp này, một nút chỉ ra chi phí cục
bộ của mình nhưng chi phí này khơng được lan truyền đi xa hơn nữa. Danh sách hiện tại trong VITRO của các thông số định tuyến bao gồm các
đối tượng sau đây:
- Trạng thái nút và thuộc tính đối tượng: trạng thái nút và thuộc tính đối
tượng được sử dụng để báo cáo thông tin trạng thái nút khác nhau và các
thuộc tính nút.
- Năng lượng nút: Năng lượng là một thước đo quan trọng trong LLNs,
như trong nhiều tình huống đó là mong muốn tránh việc định tuyến thơng qua một nút với năng lượng cịn lại thấp. Các thơng số liên quan đến năng
lượng và các thuộc tính cho đến nay bao gồm: các chế độ năng lượng của nút, ước tính thời gian sống cịn lại và một tập hợp chi tiết các số liệu và
các thuộc tính liên quan đến năng lượng.
- Số chặng: số chặng được sử dụng để cho biết số lượng các nút đi qua dọc theođường định tuyến. Số chặng có thể được sử dụng như một ràng buộc,
một thơng số trong đó khi mỗi nút đãđược đến thăm thì trường số chặng
tăng lên.
- Thơng lượng: Các đối tượng thông lượng được sử dụng để cho biết thông
lượng của liên kết, một thông số mà trong nhiều LLNs khác nhau biến đổi rất nhiều kết quả của việc trao đổi công suất tiêu thụ của tốc độ bit. Khi
được sử dụng như một thơng số nó có thể được sử dụng như một thơng số bổ sung hoặc thông lượng tối đa hay tối thiểu.
- Độ trễ: đối tượng độ trễ được sử dụng để cho biết đường đi. Khi được sử
dụng như một thông số đối tượng trễ thể hiện tổng độ trễ (thông số bổ
sung) hay độ trễ tối đa hoặc tối thiểu dọc theo đường định tuyến. Khi được sử dụng như một ràng buộc, độ trễ được sử dụng để loại bỏ các liên
kết cung cấp độ trễ cao hơn giá trị được định trước.
- Độ tin cậy của liên kết: độ tin cậy của liên kết là một thông số quan trọng
bởi vì trong LLNs trạng thái liên kết có thể khác nhau đáng kể theo thời gian và tỉ lệ lỗi bit có thể cao. Độ tin cậy của liên kết được xác định bởi
hai thông số: Link Quanlity Level (LQL) và Expected Transmission Count (ETX). Đối tượng LQL được sử dụng để định lượng độ tin cậy liên kết sử dụng một giá trị riêng biệt. Hầu hết các thông số phổ biến cho độ tin cậy là ETX có thể được sử dụng như là một ràng buộc được yêu cầu
không vượt quá một số giá trị cụ thể hoặc là một thông số bổ sung tổng
hợp với các giátrị được cập nhật dọc theo đường định tuyến để phản ánh chất lượng toàn bộ tuyến đường.
- Màu sắc liên kết: đối tượng màu sắc liên kết là một ràng buộc liên kết
quản lý có thể là tĩnh hoặc động để tránh hoặc thu hút các liên kết cụ thể cho các loại lưu lượng cụ thể. Trên một đường định tuyến với thông số màu sắc liên kết đãđược ghi nhận, một nút có thể chỉ ra các đường định (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.4 Cải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến khơng dây ảo hóa
Dựa theo đặc điểm và yêu cầu của từng dịch vụ mà lựa chọn thông số định tuyến cho phù hợp. Từ đó thành lập hàm mục tiêu cho các thông số định tuyến này.
Mỗi dịch vụ sử dụng một hàm mục tiêu để định tuyến. Mỗi VSN có thể nằm trong một hoặc nhiều dịch vụ khác nhau. Mỗi nút cảm biến sẽ có một tập các hàm mục tiêu mà nó hỗ trợ tương ứng với các dịch vụmà nó có thể tham gia.
Vì ở đây giao thức EMRP cải tiến cho ảo hóa được dùng cho cácứng dụng
bao phủ các phần khơng gian địa lý, trong đó các mạng VSN đãđược cố định trước
vị trí của chúng và dịch vụ mà chúng sẽ cung cấp. Các nút cảm biến nằm trong vùng sự kiện nào sẽ có thể tham gia cảm biến loại sự kiện đó, do đó chúng đã biết trước mình thuộc VSN nào.
Trong giới hạn luận văn này, EMRP có thể hỗ trợ 2 thông số định tuyến là số chặng (hop count) và năng lượng của nút (node energy).
Các hàm tính tốn của EMRP:
Nếu các nút thuộc dịch vụ nào chúng sẽ có hàm mục tiêu tương ứng để tính
tốn cho việc định tuyến. Các hàm tính tốnở đây bao gồm hàm tìm nhóm trưởng
(cluster head) và hàm tìm nút chuyển tiếp (relay node and backup node). Cụ thể như sau:
Hàm tìm nhóm trưởng:
- Thơng số định tuyến là số chặng thì nhóm trưởng là nút có số chặng nhỏ nhất đếntrạm gốc.
- Thông số định tuyến là năng lượng của nút thì nhóm trưởng là nút có
năng lượng lớn nhất.
Hàm tìm nút chuyển tiếp và nút dự trữ:
- Thơng số định tuyến là số chặng thì nút chuyển tiếp (relay node) là nút có số chặng đến trạm gốc nhỏ nhất, nút dự trữ (backup node) là nút có số
- Thơng số định tuyến là năng lượng của nút thì nút chuyển tiếp là nút có
năng lượng lớn nhất, nút dự trữ là nút có năng lượng lớn thứ hai trong số các nút có thể chọn tiếp theo.
Nếudịch vụnào mà yêu cầu hỗ trợ cả hai thơng số định tuyến này thì:
- Hàm tìm nhóm trưởng thỏa mãn nhóm trưởng là nút có số chặng nhỏ nhất
đến trạm gốc và năng lượng lớn nhất.
- Hàm tìm nút chuyển tiếp, nút dự trữ thỏa mãn nút chuyển tiếp là nút có số
chặng nhỏ nhất đến trạm gốc và năng lượng lớn nhất trong số các nút có
thể chọn tiếp theo, nút dự trữ là nút có số chặng đến trạm gốc nhỏ thứ hai
và năng lượng lớn thứ hai trong số các nút có thể chọn tiếp theo.
So với giao thức EMRP đãđược trình bày trong mục 2.2 ở trên các pha hoạt động của EMRP cải tiến cho ảo hóa cịn thêm một số bước như sau:
2.4.1 Pha khởi tạo
Mục đích của pha này là các nút cảm biến trong mạng thiết lập các giá trị ban
đầu của mình. Trạm gốc có khả năng phủ sóng tồn mạng, sẽ quảng bá bản tin (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
BROADCAST_INFO. Các nút trong mạng nhận được bản tin BROADCAST_INFO
này, dựa vào độ suy hao năng lượng để xác định khoảng cách từ nó đến trạm gốc,
xác định VSN mà nó tham gia, dịch vụ và các thơng số định tuyến mà nó được hỗ
trợ. Dựa vào các thơng số mà nút biết được mình cần phải thực hiện hàm nào hay kết hợp các hàm nào để tính hàm tìm nhóm trưởng và nút chuyển tiếp.
Trong phạm vi luận văn này, pha thiết lập sẽ khơng tìm ngay các nút chuyển tiếp và nút dự trữ của tất cả các nút trong mạng. Việc tìm nút chuyển tiếp và nút dự trữ sẽ được thực hiện trong quá trìnhđịnh tuyến khi một nút yêu cầu tì m nút chuyển
tiếp và nút dự trữ để tìm nút tiếp theo cho quá trìnhđịnh tuyến để tránh tình trạng các nút đã tìm trước nút chuyển tiếp và nút dự trữ của nó nhưng sau đó lại khơng được dùng đến. Một lý do khác là khi mạng hoạt động được một thời gian mới c ần dùng đến chúng nhưng khi các yếu tố định tuyến, ví dụ như năng lượng của các nút
và nút dự trữ làm cho việc định tuyến thiếu chính xác hoặc phải tốn năng lượng cho
việc chọn lại nút chuyển tiếp và nút dự trữ mới.
2.4.2 Pha thành lập nhóm
Thuật tốn của EMRP đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm nhóm trưởng. Trong khi đó, việc xây dựng hàm lựa chọn nhóm trưởng trong EMRP dùng choảo hóa cịn tùy thuộc vào
những thơng số định tuyến mà mỗi mạng ảo hỗ trợ. Điều này được cụ thể hóa như
sau:
Khi có sự kiện sảy ra, các nút trong vùng cảm biến cảm nhận được sự kiện, tùy theo sự kiện xảy ra ở vùng chứa VSN nào mà xác định đư ợcdịch vụ mà nút có thể hỗ trợ, qua đó các nút sẽ dùng hàm mục tiêu để chọn nhóm trưởng cho phù hợp với thơng số định tuyến và loại sự kiện mà nó đang tham gia định tuyến.
Ví dụ: giả sử sự kiện xảy ra ở vùng chứa VSN1 (ID=1), nó xác định được dịch vụ chứa nó (giả sử là dịch vụ có ID=1) qua đó biết được thơng số nó cần đáp
ứng là số chặng. Vì vậy, nhóm trưởng được chọn sẽ là nút đáp ứng được hàm mục
tiêu F1CHcủa thơng số số chặng (chọn nhóm trưởng là nút gần trạm gốc nhất).
2.4.3 Pha truyền dữ liệu
Trong giao thức EMRP, dữ liệu được truyền chỉ từ một dịch vụ do chưa có
ảo hóa. Nhưng khi có ảo hóa, EMRP cải tiến cần phải đảm bảo việc truyền dữ liệu
cho nhiều dịch vụ cùng một lúc. Do đó, cơ chế truyền dữ liệu cần có thêm những
điểm khác biệt so với giao thức EMRP cũ. Cụ thể là các nút chuyển tiếp dữ liệu cần phải biết được chúng đang truyền dữ liệu cho loại sự kiện nào để lấy được hàm chọn hop tiếp theo cho phù hợp. Vì thế, cơ chế truyền dữ liệu được tiến hành như
sau:
Sau khi nhận dữ liệu từ các nút cảm biến khác truyền tới, nhóm trưởng tiến
hành tìm các hop tiếp theo để truyền gói tin DATA_TO_BS về trạm gốc. Lúc đó nhóm trưởng đã biết dịch vụ chứa nó qua đó biết được các thơng số định tuyến mà nó hỗ trợ trong pha thành lập nhóm trước đó. Dựa vào đó sẽ lấy được hàm mục tiêu
chọn nút chuyển tiếp và nút dự trữ phù hợp với các thông số định tuyến mà dịch vụ yêu cầu.
Khi tìm được nút chuyển tiếp phù hợp, nhóm trưởng sẽ gửi bản tin
DATA_TO_BS chứa các dữ liệu cảm biến xuống nút chuyển tiếp. Trong bản tin DATA_TO_BSmà nhóm trưởng gửi xuống, ngồi dữ liệu mà các nút cảm biến được
cịn có thơng tin về các thông số định tuyến và dịch vụ của sự kiện đang được