Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến WSN thì việc xác định số nhận dạng toàn cầu IP cho từng nút là không khả thi. Việc thiếu số nhận dạng toàn cầu IP cùng với việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra tập hợp các nút chuyên dụng với nhiệm vụ cụ thể. Do đó dữ liệu đƣợc truyền từ mọi nút trong vùng triển khai với độ dƣ thừa đáng kể dẫn đến kém hiệu quả trong việc sử dụng năng lƣợng. Bởi vậy, ngƣời ta đã đƣa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra nhóm các nút và thực hiện tập trung dữ liệu trong quá trình truyền dữ liệu. Đó là cơ sở cho ý tƣởng về giao thức trung tâm dữ liệu. Trong giao thức này, nút sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor đã đƣợc chọn trƣớc trong vùng. Giao thức SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dƣ thừa dữ liệu dẫn đến tiết kiệm năng lƣợng. Giao thức Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) đƣợc phát triển về sau và là một giao thức rất đáng chú ý trong định tuyến trung tâm dữ liệu.
2.4.1.1 Giao thức Flooding và Gossiping
Flooding và Gossiping là hai cơ chế cổ điển nhất để truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây WSN mà không cần bất cứ một giải thuật định tuyến hoặc sự duy trì cấu hình cụ thể nào. Ở Flooding, mỗi nút cảm biến nhận gói dữ liệu, sau đó nó quảng bá thông tin dữ liệu vừa nhận đƣợc tới tất cả các nút lân cận nó và quá trình cứ diễn ra nhƣ vậy cho đến khi gói dữ liệu đến đƣợc đích. Gossiping có cải tiến hơn Flooding đôi chút, khi mà các nút nhận dữ liệu gửi gói đến các nút lân cận một cách ngẫu nhiên, sau đó lại chọn ngẫu nhiên một nút lân cận để truyền tin thay vì truyền quảng bá đến các nút lân cận, và quá trình cứ tiếp diễn nhƣ vậy đến khi gói dữ liệu đến đích.
Mặc dù Flooding triển khai tƣơng đối dễ dàng nhƣng nó lại có nhƣợc điểm nhƣ hình bên dƣới. Khi hai nút cảm biến cùng một vùng gửi gói dữ liệu giống nhau đến cùng một nút lân cận. Còn Gossiping giải quyết đƣợc các vấn đề về sự truyền kép bằng việc chọn một cách ngẫu nhiên một nút truyền tiếp theo thay vì truyền quảng bá. Nhƣng nhƣợc điểm của Gossiping là dễ gây trễ khi truyền tin.
26
Hình 2.2 Hiện tƣợng bản tin kép
Trong hình trên mô tả hiện tƣợng bản tin kép. Nút A flooding dữ liệu của nó tới tất cả các nút trong lân cận trong đó có B và C. Tại nút D nhận đƣợc 2 lần dữ liệu, điều này là không cần thiết và gây tiêu tốn nhiều năng lƣợng.
27
Hình trên mô tả hiện tƣợng chồng chéo trong truyền tin. Hai nút cảm biến cùng bao phủ một vùng địa lý cho nên dữ liệu nó thu thập đƣợc sẽ giống nhau và tại C nhận đƣợc các định dạng dữ liệu giống nhau nhƣ vậy gây thừa thãi gây phức tạp trong xử lý.
2.4.1.2 Giao thức SPIN (Sensor Protocols for Pnformation via Negotiation)
Giao thức SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Đặc điểm chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trƣờng có hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng. Các nút trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trƣớc khi bất kỳ dữ liệu nào đƣợc truyền trong mạng. Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy đƣợc dữ liệu. Qua đó tạo ra sự sắp xếp dữ liệu và đảm bảo rằng dữ liệu chỉ đƣợc gửi đến các nút quan tâm đến loại dữ liệu này, loại trừ khả năng bản tin kép và giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dƣ thừa qua mạng giảm thiểu tiêu tốn năng lƣợng.
Trong SPIN có sử dụng bộ miêu tả dữ liệu để giới hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâm đến qua đó loại trừ khả năng chồng chất.
Một đặc điểm khác của SPIN là mỗi nút có thể dò tìm tới bộ quản lý để theo dõi mức năng lƣợng của nó trƣớc khi truyền hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lƣợng còn lại thấp các nút này có thể cắt giảm hoặc loại bỏ đi một số hoạt động không quan trọng nhƣ là truyền miêu tả dữ liệu. Chính việc thích nghi với tài nguyên nhƣ vậy mà làm tăng thời gian sống của mạng.
Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu giao thức này sử dụng ba loại bản tin đƣợc mô tả nhƣ hình bên dƣới.
28
Và hoạt động của SPIN đƣợc mô tả gồm sáu bƣớc nhƣ sau:
+ Bƣớc 1: Bản tin ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các nút. + Bƣớc 2: Bản tin REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau khi nhận đƣợc bản tin ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi bản tin REQ để thể hiện yêu cầu quan tâm tới dữ liệu.
+ Bƣớc 3: Bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu đƣợc thu thập từ cảm biến và kèm theo thông tin miêu tả dữ liệu.
+ Bƣớc 4: Sau khi nút này nhận dữ liệu từ bƣớc ba nó sẽ chia sẻ dữ liệu của nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc đầu tiên là phát bản tin ADV chứa miêu tả dữ liệu (Metadata).
+ Bƣớc 5: Sau đó các nút xung quanh nào có yêu cầu dữ liệu lại gửi bản tin REQ.
+ Bƣớc 6: Là DATA lại đƣợc truyền đến các nút mà yêu cầu dữ liệu này.
29
Ngoài những đặc điểm trên, giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến đƣợc đích.
2.4.1.3 Truyền tin trực tiếp (Directed Diffusion)
Giao thức truyền tin trực tiếp sử dụng lƣợc đồ tập trung dữ liệu và các nút đều biết về ứng dụng. Tất cả các dữ liệu phát ra bởi nút cảm biến đều đƣợc đặt tên sử dụng các cặp giá trị thuộc tính và sử dụng quá trình xử lý trong mạng nhƣ là tích hợp dữ liệu. Giao thức này loại bỏ sự dƣ thừa dữ liệu nhờ quá trình xử lý nội mạng, và tối thiểu số lần truyền tin nên tiết kiệm đƣợc năng lƣợng, kéo dài thời gian sống toàn mạng.
Hình bên dƣới mô tả quá trình giao thức truyền tin trực tiếp. Đầu tiên Sink tạo ra một yêu cầu đƣợc xác định dùng các cặp giá trị thuộc tính nhƣ là tên tuổi vật thể, vị trí địa lý của vật thể, khoảng thời gian diễn ra... Nhóm thông tin này đƣợc phát quảng bá thông qua các nút trung gian đến nguồn. Mỗi một nút nhận đƣợc thông tin đó sẽ giữ lại để so sánh dữ liệu nhận đƣợc với giá trị trong thông tin đó. Các thông tin này cũng bao gồm thông tin về các trƣờng Gradient. Gradient là đƣờng trả lời đến nút lân cận từ nơi mà nhận đƣợc thông tin yêu cầu, đƣợc mô tả bởi tốc độ dữ liệu, khoảng thời gian và thời gian mãn hạn nhận đƣợc từ các thông tin yêu cầu. Bởi nhờ việc sử dụng các thông tin yêu cầu và Gradient thiết lập đƣợc các đƣờng truyền giữa trạm gốc và các nguồn. Trạm Sink gửi lại các bản tin gốc qua các đƣờng đã đƣợc chọn với khoảng thời gian giữa hai sự kiện ngắn hơn vì vậy mà tăng cƣờng nút nguồn trên đƣờng đó để gửi dữ liệu đều đặn hơn.
30
Hình 2.6: Hoạt động cơ bản của giao thức Directed Diffusion
Directed disffusion có ƣu điểm nếu một đƣờng dẫn nào đó giữa sink và một nút bị lỗi, một đƣờng dẫn có tốc độ dữ liệu thấp hơn đƣợc thay thế. Kỹ thuật định tuyến này khá ổn định. Bởi vậy loại giao thức định tuyến này tiết kiệm năng lƣợng đáng kể.