Chương 2: Các giao thức định tuyến tin cậy 43
2.3 Tổng quan về sự tin cậy của truyền tải dữ liệu trong các mạng cảm biến 49
50
Vai trò của lớp truyền tải là cung cấp dữ liệu đáng tin cậy trong một kịp thời không có tắc nghẽn và không mất dữ liệu với tiêu thụ năng lượng hạn chế. Giao thức lớp truyền tải là TCP truyền thống và UDP không phù hợp với WSN. TCP sử dụng cơ chế điều khiển truyền dẫn đầu cuối và sự tắc nghẽn cơ chế sử dụng cũng không phù hợp với WSN. UDP không cung cấp các chương trình xác nhận. UDP không kết nối và không cung cấp kiểm soát dòng chảy và tắc nghẽn. Tuy nhiên các giao thức truyền tải có thể được làm phù hợp với WSN bằng cách vào tài khoản cân nhắc thiết kế sau đây:
WSN cần một cơ chế phục hồi mất gói như sự thừa nhận.
Thủ tục thành lập kết nối ban đầu nên là giản thể. Ba cách quá trình bắt tay sẽ là một chi phí lớn để chuyển giao nhỏ khối lượng dữ liệu cảm nhận.
Các giao thức nên thực hiện kế hoạch tránh tắc nghẽn.
Các giao thức nên đảm bảo sự công bằng cho tất cả các nút cảm biến.
Các giao thức điều khiển truyền tải nên cung cấp lớp chéo tối ưu hóa.
Việc truyền dữ liệu có thể là kết thúc đến đầu cuối hoặc dựa trên bước nhảy – bước nhảy. Trong trường hợp truyền dẫn đầu cuối, nguồn và đích đến có trách nhiệm cung cấp toàn bộ gói. Trong trường hợp mất dữ liệu, nguồn phải truyền toàn bộ gói. Điều này dẫn đến tiêu thụ năng lượng nhiều hơn mà không phải là khả thi cho mạng cảm biến không dây. Dữ liệu bước nhảy – tới – bước nhảy truyền yêu cầu các nút lân cận truyền dữ liệu. Vì vậy, trong trường hợp mất dữ liệu, truyền lại có thể được thực hiện dễ tiêu thụ ít năng lượng. Bước nhảy – tới – bước nhảy yêu cầu địa phương đệm và có hiệu quả hơn trong trường hợp đa WSN. Do đó bước nhảy – tới – bước nhảy phù hợp hơn cho nguồn lực hạn chế WSN.
Độ tin cậy đạt được hoặc bằng cách truyền lại hoặc dư. Trong cơ chế truyền lại, nút nguồn sau khi gửi dữ liệu yêu cầu xác nhận dữ liệu của nó gói từ người nhận để đảm bảo độ tin cậy. Cơ chế dư mặt khác gửi nhiều bản sao của cùng tin nhắn đến người nhận của nó.
51
Truyền thông trong mạng cảm biến không dây là giữa các nút cảm biến và nút sink và điều quan trọng là để phân biệt hướng truyền thông. Cho truyền thông đường lên, người gửi là một nút cảm biến và máy thu là nút sink (cảm biến tới sink), và kịch bản ngược được đề cập đến đường xuống (sink tới cảm biến). Là một mạng thu thập dữ liệu, dữ liệu lưu lượng trong mạng cảm biến không dây từ nút cảm biến đến nút sink đơn là quan trọng nhất so với hướng đường xuống. Tuy nhiên, trong một số kịch bản, một giao thức đáng tin cậy cho truyền thông đường xuống cũng quan trọng, đặc biệt nếu mạng bao gồm các nút cảm biến có thể lập lại được, sink có thể muốn gửi mã kiểm soát nhất định như lệnh nâng cấp đến các nút.
Những mạng cảm biến không dây khác nhau ứng dụng có yêu cầu độ tin cậy khác nhau.
Các tính năng độ tin cậy và kiểm soát tắc nghẽn của lớp truyền tải trong WSN có thể được giải quyết theo hai cách đó là bước nhảy tới bước nhảy và đầu cuối tới đầu cuối. Đầu cuối tới đầu cuối độ tin cậy được dùng để chỉ việc truyền dữ liệu đáng tin cậy dữ liệu từ nút nguồn đến đích hoặc ngược lại. Một nút cảm biến thường sử dụng quy trình phản hồi vòng khép kín nơi nó chờ đợi tin nhắn trả lời từ điểm kết thúc điểm đến. Trong khi độ tin cậy bước nhảy tới bước nhảy sử dụng một vòng lặp mở không phản hồi. Để đạt được độ tin cậy, giao thức phân phối dữ liệu đáng tin cậy phải có thể phục hồi dữ liệu bị mất khi lỗi xảy ra. Chìa khóa khác nhau giữa bước nhảy tới bước nhảy và đầu cuối tới đầu cuối cơ chế là khi một lỗi xảy ra, trong bước nhảy tới bước nhảy trường hợp, nút trung gian tái truyền gói, nhưng trong trường hợp đầu cuối tới đầu cuối, gói cần được gửi từ nguồn. Phương pháp bước nhảy tới bước nhảy tiết kiệm năng lượng hơn kể từ gói tái truyền ngắn hơn so với đầu cuối tới đầu cuối.
Chỉ số hiệu suất
Hiệu suất của bất kỳ giao thức tầng truyền tải nào WSN có thể được đánh giá bằng cách sử dụng các chỉ số như độ tin cậy, tắc nghẽn và tiết kiệm năng lượng.
Chỉ số tin cậy
52
Số liệu đáng tin cậy liên quan đến dữ liệu đáng tin cậy phân phát đến tất cả các hướng dòng chảy dữ liệu như đường lến (cảm biến tới sink) và đường xuống (sink tới cảm biến). Độ tin cậy trong WSN có thể được phân thành hai các loại có độ tin cậy sự kiện và độ tin cậy gói.
Độ tin cậy gói tin là các ứng dụng là mất hiệu quả và đòi hỏi phải truyền tải thành công tất cả gói tin hoặc ở một tỷ lệ thành công nhất định. Trong khi sự kiện độ tin cậy là sự kiện được báo cáo như thế nào đến cơ sở trạm, được định nghĩa bởi:
∑ 𝑃𝑟𝑜𝑏(𝑠𝑢𝑐𝑐𝑒𝑠𝑠 𝑜𝑓 𝑣𝑘) 𝐾
𝐾𝑘=1 (2.1) trong đó v là một thông điệp, K là tổng số sự kiện được định nghĩa bởi ứng dụng, k là sự kiện cần đến được gửi một cách tin cậy và 𝑣𝑘 là thông điệp có chứa sự kiện k. Độ tin cậy nút cho nút i được định nghĩa là:
𝑅𝑛(i) = 𝑛𝑜 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑜𝑓 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑖 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑠𝑖𝑛𝑘
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑖 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑒𝑠 (2.2) Các chỉ số nghẽn
Mức độ nghẽn, d là chỉ số phát hiện tắc nghẽn được định nghĩa bởi:
d(i) = 𝑡𝑠𝑖/𝑡𝑎𝑖 (2.3) nơi mà 𝑡𝑠𝑖 là thời gian phục vụ gói tin trung bình và 𝑡𝑎𝑖 là thời gian trung gian giữa các gói tin đến nút i. Mạng hiệu quả nói đến lớp truyền tải tốt như thế nào có khả năng phát hiện tắc nghẽn, giảm thiểu tắc nghẽn và duy trì mức yêu cầu thông qua tại trạm cơ sở. Như vậy, số gói được tiêm bởi các nút cảm nhận trong một thời gian đơn vị và số lượng gói được chuyển đến cơ sở trạm đang tính. Hiệu quả nút hoặc tỷ lệ phân phát trung bình được tính như sau:
𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑖
𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑖′𝑠 𝑝𝑎𝑡𝑒𝑛𝑡 (2.4) Các chỉ số năng lượng
53
Các nút cảm biến có năng lượng giới hạn và nó là quan trọng đối với các giao thức vận tải để duy trì mức cao năng lượng để đạt được tối đa hóa tuổi thọ của hệ thống. Việc mất gói dữ liệu trong WSN có thể xảy ra do lỗi bit hoặc tắc nghẽn. Do đó, tỉ lệ mất gói có thể được tính như:
𝑛𝑜 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑙𝑜𝑠𝑡 𝑖𝑛 𝑡ℎ𝑒 𝑛𝑒𝑡𝑤𝑜𝑟𝑘
𝑛𝑜 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑡ℎ𝑒 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑛𝑔 𝑛𝑜𝑑𝑒𝑠 (2.5) Mặc dù tỷ lệ thành công có thể được định nghĩa là số các gói dữ liệu đạt tới đích mà không có bất kỳ tắc nghẽn. Thời gian trễ gói là thời gian thực hiện bởi một gói tin để đạt đích đến từ thời điểm gói tin đã được tạo.
Tỷ lệ mất gói sẽ dẫn đến mất năng lượng trên mỗi nút và toàn bộ mạng là điều quan trọng để đánh giá năng lượng hiệu quả ở giao thức truyền tải. Giả sử gói tin bị rớt có mối quan hệ trực tiếp với lãng phí năng lượng, tổn thất năng lượng trên mỗi nút có thể là đo bằng:
E(i) = 𝑛𝑜 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑑𝑟𝑜𝑝𝑝𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑖
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑛𝑜 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑖 (2.6) Trong khi tổn thất năng lượng cho toàn bộ mạng lưới có thể tính bằng:
𝐸𝑛𝑒𝑡𝑤𝑜𝑟𝑘 = 𝑛𝑜 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡𝑠 𝑑𝑟𝑜𝑝𝑝𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑡ℎ𝑒 𝑛𝑒𝑡𝑤𝑜𝑟𝑘
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑛𝑜 𝑜𝑓 𝑝𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑑 𝑏𝑦 𝑡ℎ𝑒 𝑠𝑖𝑛𝑘 (2.7) Số lượng năng lượng còn lại trong một nút cảm biến và có thể được đo như:
𝐸𝑟 = 𝑟𝑒𝑚𝑎𝑖𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦
𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 (2.8) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến truyền dữ liệu tin cậy trong WSN là:
Quá trình kết nối ban đầu - Hầu hết các ứng dụng trong WSN có loại phản ứng.
Mạng cảm biến giám sát thụ động môi trường và chờ đợi cho các sự kiện xảy ra trước báo cáo với nút chủ. Vì vậy, cần phải thực hiện một quá trình kết nối hiệu quả để thông báo cho nút chủ về tình trạng của mạng cảm biến (mức tiêu thụ năng lượng, mức độ tin cậy của dữ liệu thu thập được, tốc độ truyền và địa chỉ của các nút cảm biến). Theo tình trạng của , MS chọn một tuyến đường tối ưu.
54
Cơ chế kiểm soát tắc nghẽn bao gồm sau các hoạt động tắc nghẽn: phát hiện, tránh và chỉnh sửa.
Tốc độ truyền dữ liệu đáng tin cậy - Đôi khi, WSN cần để nhận các gói dữ liệu một cách chính xác từ một khu vực nhất định, chỉ, nhưng không phải từ tất cả các mạng cảm biến trong khu vực này. Vì vậy, tỷ lệ thành công đối với tổng số chuyển dữ liệu của mạng cảm biến là được xác định.
Giảm số lần truyền lại - giao thức truyền tải nên thực hiện một cơ chế để mất gói tin phục hồi như NACK, ACK, ACK chọn lọc hoặc chọn NACK. Liên quan đến các cơ chế được thiết kế cho giảm số lần truyền lại, tốt hơn là sử dụng NACK thay vì thông điệp ACK trong bước nhảy tới bước nhảy, HBH, các mạng, như WSN.
Giảm chiều dài của tiêu đề khung - trong WSN, trái với TCP / IP mạng dựa, tỷ lệ giữa tải trọng và chiều dài tiêu đề là nhỏ.Vì vậy, trong một thiết kế WSN giao thức mục tiêu chính là làm giảm chiều dài tiêu đề.
Xử lý bình đẳng các nút cảm biến - trong một giao tiếp lưu lượng truy cập là mong muốn cho tất cả nút cảm biến trong WSN tham gia bình đẳng. Vì vậy, tiêu thụ năng lượng cân bằng cho tất cả nút cảm biến là bắt buộc để đạt được.
Tối ưu hóa lớp chéo - truyền thông giữa hai lớp giao thức lân cận phải ngắn gọn và hiệu quả. Ví dụ, nếu giao thức định tuyến báo hiệu giao thức vận tải mà một số tuyến đường thất bại xảy ra, giao thức vận chuyển biết rằng gói tin được giải phóng do sự thất bại của tuyến đường và do đó đóng băng người gửi trạng thái.
55
2.3.1 Độ tin cậy thông qua việc truyền lại
Các chương trình xác nhận khác nhau được sử dụng trong truyền lại cơ chế. Rất ít trong số đó là:
Xác nhận rõ ràng (eACK): nút thu nhận gửi thông báo kiểm soát đặc biệt đến nguồn sau khi thành công sự xuất hiện của gói. Nó mang lại kết quả truyền tải cao như xác nhận là cần thiết cho mỗi gói tin được gửi.
Xác nhận từ chối (NACK): Người nhận thông báo người gửi về các gói tin bị thiếu.
Xác nhận ngầm (iACK): Nó sử dụng phát sóng bản chất của kênh không dây.
Người gửi sau khi gửi dữ liệu theo dõi kênh và đảm bảo rằng gói dữ liệu được gửi bởi các bước nhảy tiếp theo tới hàng xóm của nó mà là một dấu hiệu xác nhận.
Xác nhận chọn lọc (SACK): Chỉ những người mất gói trong toàn bộ tin nhắn là truyền lại.
2.3.2 Các giao thức điều khiển truyền tải bằng cách sử dụng cơ chế truyền lại
56
Một số giao thức được sử dụng để truyền tải tin cậy dữ liệu. Một số cung cấp độ tin cậy ở hướng đường lên và một số ở hướng đường xuống. Chỉ có rất ít giao thức cung cấp độ tin cậy ở cả hai hướng. Một số giao thức chỉ tập trung về độ tin cậy, trong khi một số giao thức dựa vào độ tin cậy và cơ chế tắc nghẽn. Để cung cấp luồng dữ liệu đáng tin cậy, nó là thiết yếu là đường dẫn dữ liệu không bị tắc nghẽn.
Tất cả các giao thức sử dụng truyền lại dựa trên phục hồi dữ liệu trong trường hợp mất gói. Rất ít giao thức truyền tải dữ liệu hiện có được sử dụng rộng rãi bởi các ứng dụng chính là: GARUDA, ESRT, RMST, PSFQ, ART, PORT và DST.
2.3.2.1 PSFQ
Gửi chậm nhận nhanh (PSFQ) là một giao thức tin cậy đường xuống. Giao thức này từ từ đưa gói tin vào mạng (hoạt động gửi). Trong trường hợp mất dữ liệu, giao thức thực hiện phục hồi bước nhảy – tới – bước nhảy tích cực. Nó sử dụng NACK kế hoạch. Giao thức này không cung cấp cơ chế tắc nghẽn và không xử lý mất gói duy nhất.
Wan và cộng sự xác định một bước nhảy tới bước nhảy hạ tầng cơ chế độ tin cậy, gửi chậm nhận nhanh (PSFQ). Nó nhằm mục đích đạt được 100% đảm bảo độ tin cậy để phổ biến các thông điệp điều khiển hoặc phân đoạn mã phần mềm đối với các nút cảm biến đường xuống, trong khi thực hiện việc phát hiện mất mát và phục hồi hoạt động, và tái truyền địa phương của các dữ liệu bị mất. Như một cái tên chỉ ra, trong PSFQ, nút nguồn gửi dữ liệu ở tốc độ chậm (gửi chậm), trong khi các nút bị mất gói sẽ lấy bất kỳ gói tin bị thiếu từ láng giềng ngay lập tức (nhận nhanh). Nó được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu độ phân giải dữ liệu đầy đủ như lập trình lại cảm biến. Nó sử dụng ba hoạt động, bao gồm hoạt động nhận, lấy hoạt động và báo cáo hoạt động.
Trạm cơ sở phát sóng đoạn mã từ từ đến đường xuống nút trong khoảng thời gian đều đặn, trong quá trình hoạt động. Sau đó, thao tác lấy mẫu bắt đầu khi khoảng cách số được tìm thấy bởi bất kỳ nút trung gian nào. Các nút sẽ ngừng chuyển tiếp các gói tin mới khi có gói tin bị mất và sẽ gửi NACK tới hàng xóm của
57
chúng để yêu cầu truyền lại các gói tin bị mất. Nó sẽ chỉ tiếp tục quá trình chuyển tiếp khi thiếu gói tin đã được lấy ra từ các láng giềng. Cuối cùng, báo cáo hoạt động cung cấp báo cáo trạng thái cho việc sử dụng khi một thông báo báo cáo được gửi đi từ nút xa nhất trong mạng đối với người dùng yêu cầu. Trong khi, mỗi nút trên đường đi thêm báo cáo của nó vào thông báo báo cáo ban đầu trong một cách thức tổng hợp cho đến khi nó đạt đến người dùng.
Tính tổng phí trên mỗi nút là khá cao vì có rất nhiều bộ đếm thời gian để theo dõi, trong khi đó là tính giờ là rất quan trọng để bắt đầu gửi và nhận hoạt động.
PSFQ yêu cầu tất cả các nút để lưu trữ tất cả các gói tin nhận được trong thứ tự cho việc lập trình lại các nút cảm biến để thành công. Trong một cảm biến bình thường mạng, các nút có bộ nhớ hạn chế và do đó chúng sẽ không thể nhớ đệm tất cả các gói tin mà chúng nhận được. PSFQ không đưa vào tài khoản của thông tin thời gian và không gian của mỗi gói. Nếu sink đã nhận được thông tin về một khu vực cụ thể, thêm thông tin về khu vực đó sẽ chỉ là một động lực nhưng không cần thiết. Quảng bá được thực hiện trong cả hoạt động gửi và nhận, làm cho mạng bị tắc nghẽn và kết quả trong lãng phí năng lượng. PSFQ là phù hợp hơn cho các nút lập trình lại và điều này ứng dụng không phải là phổ biến bởi vì các nút được lập trình ít khi.
2.3.2.2 ESRT
Giao thức truyền tải tin cậy của sự kiện - tới – sink là một giao thức tin cậy đường lên được sử dụng để truyền sự kiện thông tin chứ không phải là gói dữ liệu.
Nó bao gồm thông báo tắc nghẽn bit. Lưu lượng của nút nguồn được định kỳ được theo dõi trong suốt tần suất báo cáo. Tự cấu hình tự nhiên làm cho nó thích nghi với môi trường năng động. Nó không sử dụng sơ đồ NACK / ACK. NACK dẫn đến tổng phí và cuối cùng là chi phí năng lượng. Giao thức này cũng hoạt động ngay cả trong trường hợp phát hiện sự kiện nhiều bằng cách sử dụng định dạng sự kiện.
ESRT là một giải pháp truyền tải mới nhằm tìm kiếm phát hiện sự kiện đáng tin cậy với chi phí năng lượng tối thiểu và giải quyết tắc nghẽn. Nó đã được thiết kế phù hợp với yêu cầu duy nhất của WSN. Một số tính năng nổi bật của nó là
58
Tự cấu hình - sự phát hiện sự kiện đáng tin cậy phải được thiết lập và duy trì khi đối mặt với mô hình cấu trúc động trong WSN. Tô pô động có thể là kết quả từ một trong hai sự thất bại hoặc tạm ngừng cấp năng lượng bị hạn chế các nút cảm biến. Biến động không gian của các sự kiện và triển khai nút ngẫu nhiên chỉ làm trầm trọng hơn vấn đề. ESRT tự cấu hình và đạt được độ linh hoạt theo cấu trúc liên kết động bằng cách tự điều chỉnh điểm vận hành.
Nhận thức về năng lượng - mặc dù mục tiêu chính của ESRT là phát hiện sự kiện đáng tin cậy, nó nhằm đạt được điều này với chi phí năng lượng tối thiểu có thể. Ví dụ, nếu mức độ tin cậy ở sink được tìm thấy là vượt quá yêu cầu, các nút nguồn có thể bảo tồn năng lượng bằng cách giảm tỷ lệ báo cáo của chúng.
Kiểm soát tắc nghẽn - mất gói dữ liệu do tắc nghẽn có thể làm giảm sự kiện phát hiện tại sink ngay cả khi đủ thông tin được gửi đi theo các nguồn. Do đó, tắc nghẽn kiểm soát là một thành phần quan trọng đáng tin cậy sự kiện phát hiện trong WSN. Một tính năng quan trọng của ESRT là kiểm soát tắc nghẽn cũng được sử dụng để giảm tiêu thụ năng lượng. Các luồng dữ liệu tương quan là mất khả năng chịu đựng đến mức mà tính năng sự kiện đáng tin cậy truyền đạt đến sink. Do điều này độc đáo đặc trưng của WSN, yêu cầu độ chính xác phát hiện sự kiện có thể đạt được ngay cả khi có gói mất mát do tắc nghẽn mạng. Trong những trường hợp như vậy tuy nhiên, một cơ chế kiểm soát tắc nghẽn phù hợp có thể giúp bảo tồn năng lượng trong khi duy trì mức độ chính xác mong muốn tại sink. Điều này được thực hiện bằng cách giảm thiểu tỷ lệ báo cáo.
Xác định tập thể - trong các ứng dụng WSN điển hình, sink chỉ quan tâm đến thông tin tập thể được cung cấp bởi nhiều nút cảm biến và không phải trong cá nhân báo cáo. Phù hợp với điều này, ESRT không yêu cầu ID nút riêng lẻ để hoạt động.
Điều này cũng phù hợp với mô hình sự kiện - sink của chúng ta chứ không phải là mô hình đầu cuối truyền thống. Hơn điều này có thể làm giảm chi phí thực hiện và giảm chi phí.