Nén tiêu đề là một kỹ thuật giảm tiêu đề gói tin bằng cách hạn chế truyền phần tiêu đề không thay đổi giữa các gói liên tiếp nhau. Nén và giải nén tiêu đề chia sẻ trạng thái các chuỗi dữ liệu đi qua chúng. Trạng thái chia sẻ này gọi là ngữ cảnh nén tiêu đề. Việc nén thực hiện không phải bằng việc truyền toàn bộ tiêu đề mà chỉ những giá trị của các trường tiêu đề thay đổi theo cách có thể dự đoán được. Việc nén tiêu đề TCP được phát triển đối với các liên kết nối tiếp tốc độ thấp và có thể nén hầu hết các tiêu đề xuống chỉ 10% so với kích thước ban đầu.
Trong mạng cảm biến, các node cảm biến được giả định kết hợp vì mục đích chung vì vậy chúng chia sẻ một ngữ cảnh chung. Tất cả các node có thể chấp nhận các giá trị trường tiêu đề UDP/IP đối với gói dữ liệu cảm biến UDP. Do đó, trường tiêu đề có thể được nén bằng các kỹ thuật so sánh mẫu. Ví dụ, vì tất cả các node có cùng mạng con nên không cần truyền toàn bộ địa chỉ IP (địa chỉ node nguồn hoặc node đích) trong tiêu đề của gói tin. Tương tự, bằng cách tối ưu một dải nhỏ các cổng UDP đối với các gói dữ liệu cảm biến, không yêu cầu truyền toàn bộ số cổng 16 bit của gói dữ liệu cảm biến.
Đối với kết nối TCP, có thể dùng các kỹ thuật nén tiêu đề tiêu chuẩn thường dùng cho các liên kết đơn hop nhưng các yêu cầu đặc biệt của mạng cảm biến đa hop thay thế các thử thách truyền thống. Trong khi nén tiêu đề thông thường có thể chấp nhận các điểm cuối kết nối phát hiện và truyền lại các tiêu đề giải nén bị lỗi, một mạng cảm biến đa hop phải thực hiện phát hiện và truyền lại trong mạng theo phương pháp linh hoạt hơn do việc tiêu thụ năng lượng gây bởi sự truyền lại end – to – end.
Phần này phân tích kỹ thuật nén tiêu đề end to end mới cho mạng đa hop không dây [6] có thể áp dụng trong mạng cảm biến không dây. Kỹ thuật nén tiêu đề hỗ trợ định tuyến (RAHC) được thực hiện kết hợp với các kỹ thuật định tuyến góp phần cải thiện chất lượng đáng kể cho mạng WSN.
2.2.2.1 Giới thiệu
Chức năng cơ bản của bất kỳ kỹ thuật nén tiêu đề là giảm kích thước gói tin được truyền trên một kết nối nhờ đó tăng chất lượng liên kết và lưu lượng. Vấn đề đằng sau các kỹ thuật nén tiêu đề là tránh truyền thông tin dư thừa bất cứ khi nào có thể. Vì vậy, một node chỉ gửi một chỉ số ngắn nhận dạng tiêu đề đã gửi trước đó mà không cần gửi toàn bộ tiêu đề. Một số thuật toán nén tiêu đề thông dụng như là: nén tiêu đề IP, nén tiêu đề RTP… Do các hạn chế sau mà các kỹ thuật này không thể thực hiện trực tiếp trong mạng đa hop không dây:
- Tồn tại đa tuyến giữa các node lân cận có thể dẫn đến sắp xếp lại gói tin
- Trong mạng đa hop, dữ liệu phải nén và giải nén tại mọi router trung gian dẫn đến thêm phần xử lý vào trong mạng
- Vì tính di động của các node trong mạng, thông tin trạng thái được cập nhật khi node bị lỗi.
Khi mạng mở rộng, tiêu đề xử lý ngày càng đáng kể và số lần nén và giải nén tăng lên. Điều này dẫn đến trễ đáng kể tại mỗi router ảnh hưởng tốc độ dữ liệu. Thuật toán nén hỗ trợ định tuyến (RAHC) xử lý các vấn đề trên để tối ưu chất lượng trong các mạng mục tiêu. Kỹ thuật nén tiêu đề RAHC dựa vào thông tin được cung cấp bởi các thuật toán định tuyến. Để xác định các trường có khả năng thay đổi, ta giả thiết rằng các trường tiêu đề được phân loại thành một trong các trường đó là: trường tĩnh, trường delta, trường khả suy và trường ngẫu nhiên.
Trường tĩnh: Các trường này không thay đổi trong các tiêu đề của một phiên giao thức cụ thể, bao gồm địa chỉ đích và địa chỉ nguồn. Bất cứ sự thay đổi nào nghĩa là một tiêu đề đầy đủ phải được gửi để cập nhật trạng thái nén.
Trường Delta: là các trường thường thay đổi nhưng sự sai khác so với trường trong tiêu đề trước đó nhỏ. Một ví dụ về trường delta là chỉ số tuần tự TCP. Loại này chỉ sử dụng cho các trường trong tiêu đề TCP.
Trường khả suy: Các trường này được xác định dựa trên các thông tin đã biết khác. Ví dụ, trường chiều dài gói tin có thể xác định từ việc tạo frame lớp dưới.
Trường ngẫu nhiên: Các trường này không có dạng chính xác và thay đổi không có tính tuần hoàn ví dụ như trường checksum.
Kỹ thuật nén tiêu đề tránh gửi thông tin dư thừa trong chuỗi các gói tin thông thường. Về cơ bản, chỉ có các trường được yêu cầu để xây dựng lại tiêu đề ban đầu đã gửi đi đó là: trường delta, khả suy và ngẫu nhiên.
2.2.2.2 Kỹ thuật nén
Khi một kết nối được thiết lập, bộ gửi gửi gói đầu tiên với tiêu đề không nén tới bộ nhận. Bộ nhận lưu trữ các thông tin ngữ cảnh thích hợp được yêu cầu để xây dựng lại các tiêu đề nén sau. Bộ gửi cập nhật các thông tin ngữ cảnh tới bộ nhận sau một khoảng thời gian nhất định để thông báo cho bộ nhận bất kỳ sự thay đổi nào trong các trường tĩnh. Điều này đảm bảo bộ nhận và bộ gửi luôn đồng bộ. Bất kỳ lỗi nào về đồng bộ cũng có thể dẫn đến giải nén không chính xác mà không được phát hiện ở các lớp trên trong mạng.
Tất các node trung gian nằm giữa nguồn và đích được cập nhật thông tin ngữ cảnh phụ thuộc vào tô pô hiện tại của mạng và tuyến được thiết lập bởi thuật toán định tuyến. Khi một tuyến giữa nguồn và đích được thiết lập, gói đầu tiên mà bộ gửi gửi đi là gói tin không nén. Bộ nhận lưu trữ thông tin tĩnh trong gói không nén để có thể xây dựng lại các gói tin nén sau.
Vì mạng cảm biến vốn hay thay đổi, lỗi ở các node trung gian có thể dẫn đến mất đồng bộ giữa nguồn và đích. Trong trường hợp này, thuật toán định tuyến theo yêu cầu được khởi tạo để phát hiện tuyến tự động. Khi tuyến mới được xác định, thông tin ngữ cảnh phải được cập nhật cho tất cả các node trong tuyến. Vì các giao thức định tuyến theo yêu cầu duy trì tuyến cho đến khi tất cả các node được kích hoạt, không yêu cầu làm mới thông tin ngữ cảnh.
Một trong những nhiệm vụ thử thách trong bất kỳ thuật toán nén tiêu đề nào là xử lý lỗi hiệu quả để giảm ảnh hưởng của lỗi trên các lớp cao hơn trong mô hình mạng. Một gói tin hỏng không chỉ dẫn đến mất gói tin mà còn ảnh hưởng đến các gói tin sau vì duy trì thông tin trạng thái. Đối với các giao thức có định hướng như TCP/IP, lỗi về nhận gói tin có thể được giải quyết bằng cách truyền lại.