(Virtual Ring Routing) 2.4.1. Nghiờn cứu về VRR
Định tuyến dựa theo cấu trỳc vũng ảo là phƣơng phỏp định tuyến mới, đƣợc lấy cảm hứng từ bảng băm phõn tỏn. Nú đƣợc thực hiện một cỏch trực tiếp trờn phần đầu của tầng liờn kết trong mạng. VRR cung cấp cả mạng định tuyến truyền thống từ điểm đến điểm (poin to poin) và định tuyến trờn DHT đến nỳt chịu trỏch nhiệm băm khúa trong bảng. Trong hỡnh 2.13 giải thớch mối quan hệ giữa vũng ảo và cấu trỳc liờn kết mạng vật lý.
VRR tổ chức cỏc nỳt vào một cấu trỳc vũng ảo. Mỗi nỳt chỉ định một định danh duy nhất ngẫu nhiờn. Trong cấu trỳc vũng ảo, tất cả cỏc định danh đƣợc sắp xếp gia tăng theo mó nhận dạng. Mỗi nỳt duy trỡ cả một vũng ảo hàng xúm gần nhất ( hoặc vset) , và thiết lập cấu trỳc liờn kết với nỳt hàng xúm về mặt vật lý (hoặc pset). Nỳt định danh là cố định, độc lập và đƣợc gỏn tại một vựng xỏc định.
Hỡnh 2.13: Liờn kết giữa cấu trỳc mạng vũng ảo và cấu trỳc liờn kết mạng vật lý
Trong hỡnh 2.13 trờn , cho ta thấy một vớ dụ về vũng ảo với khụng gian định danh sử dụng 12bit (một số những định danh dựa trờn cơ sở 16). Giả sử với đƣờng đi vset liờn quan đến nỳt 8F6, với r = 4. Trong hỡnh 2.13 nú cho thấy ỏnh xạ giữa vũng ảo với cỏc cấu trỳc liờn kết mạng vật lý và đƣờng dẫn vset giữa cỏc nỳt 8F6 với cỏc hàng xúm gần với nú trờn vũng ảo.Tất cả cỏc đƣờng dẫn vset đƣợc lƣu trữ thành đƣờng định tuyến với mỗi hàng xúm của nú trong vũng ảo. Đõy là những thiết lập duy trỡ bởi VRR. Trong hầu hết cỏc trƣờng hợp thỡ đƣờng dẫn vset và multi-hop (đa bƣớc nhảy) cú quan hệ 2 chiều. Bởi cỏc mạng thành viờn thuộc trong đƣờng dẫn vset là đối xứng. Mỗi nỳt duy trỡ một bảng băm định tuyến với cỏc thụng tin về đƣờng dẫn vset. Một bảng mục định tuyến xỏc định hai điểm đầu - cuối của đƣờng dẫn vset và bƣớc dịch chuyển tiếp theo đối với mỗi thiết bị đầu - cuối. Thụng tin này là chủ động. Nếu mỗi nỳt duy trỡ một đƣờng dẫn vset tới cỏc vũng ảo hàng xúm của nú và chiều dài đƣờng trung bỡnh là p, tổng số mục bảng định tuyến trong một mạng lƣới n nỳt là NRP. Vỡ vậy, mỗi nỳt sẽ cú trờn mục RP trung bỡnh với đƣờng dẫn vset trong bảng định tuyến của nú. Mục r cho cỏc đƣờng dẫn đến cỏc vũng ảo hàng xúm của nú và R(P-1) mục bổ sung cho đƣờng dẫn vset đi qua nỳt. Nếu chỳng ta giả thiết rằng những đƣờng dẫn phụ bổ sung kết thỳc tại một nỳt đƣợc lựa chọn ngẫu nhiờn là O(RP/n). Theo đú, một gúi tin dự kiến sẽ đạt đƣợc một nỳt mà cú một đƣờng dẫn vset đến đớch sau khi ghộ thăm O(N.(RP)) nỳt. Và nú sẽ bổ sung liờn tục nếu P phỏt triển với PN.
2.4.2. Định tuyến với VRR
VRR là một giao thức định tuyến cú khả năng mở rộng mạng. Cỏc nỳt cố định và độc lập về vị trớ, đƣợc tổ chức theo một vũng ảo. Hỡnh 2.13 cho thấy việc ỏnh xạ giữa cấu trỳc liờn kết vật lý và cấu trỳc liờn kết theo kiểu logic trong một vũng ảo. Mỗi nỳt VRR duy trỡ của bảng định tuyến của nú.
Một tập hợp cỏc hàng xúm ảo (cũng cú thể gọi là thiết bị đầu cuối) cú chứa hai hàng xúm gần nhất với một nỳt. Đƣờng dẫn đến cỏc nỳt này gọi là vset.
Một tập hợp cỏc nỳt hàng xúm về mặt vật lý sẽ chứa cỏc định danh đến những nỳt hàng xúm vật lý ảo.
Việc chuyển tiếp thụng điệp từ một nỳt đến một nỳt khỏc, VRR sẽ chọn nỳt cú gỏn định danh gần với đớch nhất, và chuyển tiếp thụng điệp đến nú tƣơng ứng nhƣ việc chuyển tiếp trờn mạng vật lý.
2.4.3. Lưu đồ kỹ thuật dựa theo cấu trỳc vũng ảo Lưu đồ kỹ thuật truyền tin trong VRR
Bản tin
Chuyển tiếp đến nỳt hang xúm gần nhất trờn vset(thực hiện trờn vũng ảo)
Nỳt đớch nhận bản tin
Chuyển tiếp đến nỳt hang xúm gần nhất trờn pset(thực hiện trờn mạng vật lý)
Bắt đầu
Lưu đồ kỹ thuật xỏc đinh liờn kết mạng trong VRR
2.4.4. Nhận xột về kỹ thuật dựa theo cấu trỳc vũng ảo Ưu điểm: Ưu điểm:
- Đặc trƣng của VRR là xõy dựng lại khụng gian mạng. Mỗi nỳt trong VRR duy trỡ một số lƣợng nhỏ cỏc đƣờng dẫn đến cỏc thành viờn của nú một cỏch chủ động. Nờn VRR cú thể chuyển tiếp cỏc gúi tin giữa bất kỳ cặp nỳt nào bằng cỏch sử dụng đƣờng dẫn vset mà khụng cần giải quyết vấn đề đƣờng định tuyến và cỏc tỏc động gõy trễ. VRR trỏnh đƣợc cỏc vấn đề này bởi nú chỉ sử dụng một định dạng cố định.
Mạng vật lý
Mạng theo cấu trỳc vũng ảo
Xỏc định nỳt hàng xúm gần nhất trờn vset Gỏn định danh cho cỏc nỳt
Bắt đầu
- VRR khụng phụ thuộc vào địa chỉ vị trớ, cỏc liờn kết trong vũng ảo giải quyết đƣợc vấn đề này. Và trỏnh đƣợc khả năng gõy ngập lụp mạng (flooding).
- VRR cung cấp hiệu suất mạng mẽ trờn nhiều mụi trƣờng khỏc nhau. Nghiờn cứu [11] đó khẳng định VRR hoạt động tốt cả trờn mụi trƣờng mạng cảm biến khụng dõy.
Hạn chế:
- Do việc cấu trỳc mạng theo vũng ảo, dẫn đến việc VRR cú thể khụng chọn lựa đƣợc tuyến đƣờng với cú độ dài ngắn nhất.
2.5. Kỹ thuật bảng băm theo vị trớ địa lý – GHT (Goegraphic Hash Table) Table)
2.5.1.Nghiờn cứu về kỹ thuật bảng băm theo vị trớ địa lý
Nghiờn cứu về kỹ thuật bảng băm theo vị trớ địa lý là một phƣơng phỏp đƣợc đƣa ra dựa trờn mối liờn hệ với phƣơng phỏp lƣu trữ dữ liệu trung tõm (Data Storage Center - DSC) . Việc tăng hiệu quả của việc thu thập một lƣợng lớn dữ liệu từ cỏc mạng cảm biến quy mụ lớn đũi hỏi phải cú khả năng mở rộng, tự tổ chức, và thuật toỏn phõn phối dữ liệu tiết kiệm năng lƣợng. Theo cỏch tiếp cận của DCS, dữ liệu cảm biến sẽ đƣợc lƣu trữ tại một nỳt xỏc định bởi tờn liờn quan đến dữ liệu cảm biến.
Kỹ thuật GHT sử dụng bảng băm phõn tỏn cựng phƣơng phỏp DCS trờn WSNs. GHT sẽ băm những khúa vào tọa độ địa lý, và lƣu trữ một cặp bao gồm khúa – giỏ trị tại nỳt cảm biến cú tọa độ địa lý gần nhất với nú. Hệ thống sẽ sao chộp dữ liệu và lƣu trữ dữ liệu cục bộ nhằm đảm bảo tớnh thụng suốt khi cú một nỳt bị lỗi liờn kết. Nú sử dụng một giao thức thống nhất hiệu quả để đảm bảo rằng cỏc cặp khúa - giỏ trị đƣợc lƣu trữ tại cỏc nỳt thớch hợp sau khi giao thức thay đổi. Và nú phõn phối truyền tải trong mạng sử dụng hệ thống địa lý. Nhiều kết quả nghiờn cứu đó chứng minh rằng GHT là một cỏch tiếp cận hiệu quả đối với những mạng cảm biến lớn, phự hợp với cỏc cỏc cụng
việc liờn quan đến dự đoỏn. Do GHT hỗ trợ dữ liệu ở trạng thỏi sẵn sàng cao, ngay cả khi cỏc nỳt bị lỗi hay bị dịch chuyển.
Kiến trỳc của DCS đỏp ứng cỏc tiờu chuẩn về thiết kế chớnh là GHT. Bƣớc quan trọng nhất trong GHT đú là băm giỏ trị khúa k vào tọa độ địa lý. Cả hai hoạt động Put() và Get() trờn cựng một khúa k thực hiện trờn cựng một vựng cảm biến. Một cặp bao gồm khúa – giỏ trị lƣu trữ tại một nỳt trong vựng lõn cận nơi mà nú đƣợc băm khúa. Chọn chớnh nỳt lƣu trữ đú là trung tõm. Ta giả thiết rằng: một cấu trỳc mạng liờn kết tĩnh và một hệ thống mạng cung cấp gúi tin đến cỏc vị trớ. GHT sẽ lƣu trữ những yờu cầu và truy vấn đến một khúa
k tƣơng tự để định tuyến đến một nỳt tƣơng tự. Đồng thời phõn phối cỏc lƣu trữ về những yờu cầu và tải truy vấn tại cỏc giỏ trị k khỏc một cỏch đồng đều giữa cỏc khu vực dữ liệu bao phủ.
Những dịch vụ đƣợc cung cấp bởi GHT hỗ trợ rất nhiều cho hệ thống bảng băm phõn tỏn. Tuy nhiờn, về mặt thiết kế thuật toỏn, GHT cú thể đảm bảo tớnh bền vững và khả năng mở rộng nhƣng cũng đối mặt với nhiều loại thất bại cú thể phỏt sinh trong hệ thống phõn tỏn cũng là một thỏch thức khụng nhỏ.
GHT sử dụng hai khỏi niệm liờn quan và bổ sung lẫn nhau đú là: Home node và Home primeter
1.Home node là nỳt gần nhất về mặt địa lý tới một nỳt đớch cần truyền trong khụng gian.
2.Home perimetter là tập hợp cỏc cạnh tạo bởi những nỳt bao quanh điểm đớch. Những nỳt trờn home perimeter sẽ lƣu trữ dữ liệu.
Hỡnh 2.14: Một vớ dụ về GHT
GHT cung cấp một cụng việc tƣơng tự nhƣ DHTs
Put (k ; v) lƣu trữ v ( dữ liệu thu thập từ cảm biến ) theo khúa k , với tờn của dữ liệu.
Get (k) lấy giỏ trị đƣợc lƣu trữ mà cú liờn quan đến khúa k GHT cú hai khớa cạnh chớnh cần quan tõm là:
Phõn phối dữ liệu và lưu trữ: Để phõn phối dữ liệu và lƣu trữ chỳng trong mạng. Đầu tiờn, GHT sẽ ỏnh xạ dữ liệu đến tọa độ địa lý theo khúa của dữ liệu, và sau đú, sử dụng GPSR để phõn phối dữ liệu đến vị trớ tọa độ. Nỳt mà gúi tin sử dụng phõn phối dữ liệu khụng nhằm vào nỳt bất kỳ. Nhƣng với vị trớ địa lý, cỏc gúi dữ liệu gửi đi khụng cú những nhận dạng riờng biệt. Dẫn đến, cỏc xử lý đƣợc gúi tin và việc làm sao để xử lý cỏc gúi tin này là 2 vấn đề của GHT. Trong hỡnh 2.14, là một vớ dụ. Nỳt sẽ thực hiện gọi Put (k,v)
đến dữ liệu phõn phối trong mạng. GHT ỏnh xạ dữ liệu cú nghĩa là những điểm đƣợc đỏnh dấu trong hỡnh 2.14. Sau đú, sử dụng GHT, gúi tin sẽ chuyển tiếp đến nỳt d, nơi mà nú đi vào chế độ của home perimeter tỡm nỳt gần nhất với nỳt d và nỳt đớch. Tiếp tục lần lƣợt đi qua cỏc nỳt f và nỳt e. Gúi tin đƣợc quay lại nỳt d và nỳt d biết đƣợc rằng nú là một trong những thành phần cỏc nỳt gần nhất với điểm đến, d sẽ trở thành nỳt chủ (home node) và phõn tớch gúi tin. Việc phục hồi lại dữ liệu cũng diễn ra theo cỏch tƣơng tự. Tức là vớ dụ
nhƣ nỳt gọi Get (k), yờu cầu của gúi tin sẽ đƣợc đỏnh dấu trờn một vựng tƣơng tự nhƣ vậy. nỳt d, và cuối cựng sẽ đến một trong số cỏc nỳt trờn home perimetter (hỡnh thành bởi cỏc cạnh nối với cỏc nỳt d, e, f ). Sau đú, nỳt này sẽ trả lời yờu cầu của nỳt a.
Làm tươi dữ liệu và phỏt hành: Để đảm bảo tớnh nhất quỏn của dữ liệu và lỗi của cỏc nỳt. Cú 3 tham số đƣợc sử dụng lần lƣợt là: Th :khoảng cỏch giữa cỏc nỳt home node tạo ra một thụng điệp làm mới để đảm bảo rằng cỏc nỳt trờn perimetter home cú cỏc dữ liệu đƣợc lƣu trữ. Gúi này sẽ đƣợc coi nhƣ gúi đầu vào. Tl Khoảng cỏch giữa cỏc nỳt lƣu trữ dữ liệu sẽ gửi một thụng điệp làm tƣơi để chắc chắn cú sự tồn tại của home node. Gúi này sẽ cũng đƣợc xem nhƣ gúi đầu vào. Td Thời gian sống của dữ liệu, nếu dữ liệu khụng đƣợc làm mới trong Td giõy, dữ liệu sẽ đƣợc phỏt tỏn, tại nơi mà Td = 3Th và Tl = 2Th.
GHT lấy cảm hứng từ hệ thống bảng băm phõn tỏn giống nhƣ Chord và CAN. Cỏc kỹ thuật này đũi hỏi cỏc nỳt phải kết nối với nhau một cỏch khỏ cứng nhắc. Trờn Internet, mối quan hệ với nỳt gần nhau ở một mức độ hợp lý nhất định. Cỏc hệ thống cơ bản định tuyến cỏc nỳt theo IP một cỏch hợp lý chứ khụng phải là ngay lập tức chọn cỏc nỳt vật lý gần nú. Nhƣng trong mụi trƣờng WSNs, cỏc nỳt bị giới hạn về điện năng tiờu thụ ở mức thấp, việc duy trỡ định tuyến trong tất cả cỏc nỳt là vấn đề tốn kộm. Và bởi vỡ nỳt lỏng giềng trong khoảng cỏch xỏc định của DHT muốn hợp lý cú thể xa nhau về mặt hỡnh học, muốn tạo ra những bƣớc dịch chuyển hợp lý cú thể phải chi phớ năng lƣợng cho nhiều gúi tin.
2.5.2.GPSR
Theo GPRS, cỏc gúi tin đƣợc định tuyến về mặt địa lý. Tất cả cỏc gúi đƣợc đỏnh dấu cựng cỏc vị trớ của điểm đớch. Tất cả cỏc nỳt biết vị trớ của mỡnh, và vị trớ cỏc nỳt từ vị trớ của chỳng. Chỉ sử dụng một cơ sở kiến thức
này, GPSR cú thể định tuyến một gúi tin đến bất kỳ điểm kết nối nào. Cú hai loại thuật toỏn cơ bản sử dụng cho việc định tuyến: Thuật toỏn chuyển tiếp tham lam, di chuyển cỏc gúi tin đến gần đớch hơn thụng qua mỗi bƣớc nhảy . Và thuật toỏn chuyển tiếp chu vi là chuyển tiếp cỏc gúi tin mà thuật toỏn tham lam khụng thể.
Cỏc quy định chuyển tiếp tham lam rất đơn giản: từ một nỳt x chuyển tiếp một gúi tin đến y, là hàng xúm gần nhất với điểm D đƣợc đỏnh dấu trờn trong cỏc gúi tin, miễn sao đú là hàng xúm gần gũi với hơn x nhƣ hỡnh 2.15 cho thấy một vớ dụ về chuyển tiếp tham lam, cỏc đƣờng chấm đại diện cho một tớn hiệu radio của nỳt x, và cỏc đƣờng nột đứt vũng trũn trung tõm D với bỏn kớnh xD.
Hỡnh 2.15: Phương phỏp chuyển tiếp tham lam. x chuyển tiếp đến y, nú là nỳt hàng xúm gần nhất đến D
Chuyển tiếp tham lam sẽ dừng lại khi khụng cũn cú hàng xúm gần hơn từ x đến điểm đớch. Hỡnh 2.16 là một trƣờng hợp vớ dụ cho thấy với cấu trỳc liờn kết này thuật toỏn tham dừng lại. Ở đõy cũng một lần nữa cho thấy, những đƣờng nột liền hiển thị cỏc liờn kết tồn tại, quyết định bởi súng radio. Lƣu ý rằng cú thể hai đƣờng dẫn đến D tồn tại, nhƣng x cú thể khụng chuyển tiếp tham lam về phớa trƣớc vỡ sẽ liờn quan đến việc phải di chuyển xa hơn từ x đến điểm đớch.
Hỡnh 2.16: Một vớ dụ về việc x khụng cú hàng xúm gần nhất đến D
GPSR sẽ chuyển tiếp sang chế độ chu vi khi thuật toỏn chuyển tiếp tham lam kết thỳc. Trong đú việc chuyển tiếp cỏc gúi tin sẽ sử dụng quy tắc bàn tay phải. Hỡnh 2.17 thể hiện quy tắc này, gúi tin từ x sẽ chuyển tiếp theo chiều kim đồng hồ trở về x sau khi đi qua cỏc cạnh.
Hỡnh 2.17: Quy tắc bàn tay phải
GPSR định tuyến gúi tin từ nguồn theo chế độ tham lam, nhƣng sẽ thay đổi đƣờng truyền theo chế độ chu vi khi khụng cú nỳt hàng xúm để chuyển tiếp đến đớch đến của gúi tin hơn cỏc nỳt chuyển tiếp của chớnh nú. Và chuyển trở lại chế độ tham khi sử dụng chế độ này gúi tin sẽ đến gần với đớch hơn chế độ chu vi (perimetter).
Tuy nhiờn GHT sử dụng chế độ chu vi theo một cỏch khỏc, con đƣờng định tuyến của gúi tin sẽ dựa trờn một khoỏ tƣơng tự đến mụt nỳt tƣơng tự.
2.5.3. Home node và Home perimetter
Theo GHT, ngƣời sử dụng dựng hai phƣơng thức Put() và Get() gúi tin khụng biết chớnh xỏc vị trớ điểm đến cuối cựng là nỳt nào. Hai phƣơng thức Put và Get băm khoỏ k với chớnh tờn của khoỏ k vào toạ độ địa lý. Hàm băm
sẽ khụng biết vị trớ điểm đến của gúi tin trong cấu trỳc liờn kết, nú chỉ tỡm cỏch lan truyền những khoỏ khỏc nhau một cỏch đồng đều trờn khu vực địa lý nơi mạng đƣợc triển khai. Do đú rất cú thể là khụng cú nỳt toạ độ chớnh xỏc nhƣ cỏc hàm băm tạo ra. Home node làm nỳt gần nhất với điểm đến cuối cựng của gúi tin về mặt toạ độ. Home node phục vụ nhƣ là điểm đến của Put() và Get() trờn cựng một khoỏ. Bởi vỡ gúi tin trong GHT khụng giải quyết một nỳt cụ thể, mà chỉ đến một địa điểm cụ thể, nú đƣợc xử lý bởi GPSR nhƣ một ràng buộc trong trƣờng hợp gúi điểm đến bị ngắt kết nối, khụng nhận đƣợc địa chỉ mà nú xỏc định. GPSR sẽ định tuyến một gúi tin đến home node phự hợp, sử dụng chế độ chu vi của GPSR để tỡm thấy home node. Theo GHT chế độ chu