Nghiên cứu và ứng dụng ipv6 trên mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN VĂN QUÂN

PHAN VĂN QUÂN

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG IPV6
TRÊNMẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
CH2012A
Hà Nội – 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHAN VĂN QUÂN

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG IPV6 TRÊN
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
PGS.TS. NGÔ HỒNG SƠN

Hà Nội – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của
thầy TS. Ngơ Hồng Sơn. Để hồn thành luận văn này tôi chỉ áp dụng trên những tài
liệu tham khảo không sao chép bất kỳ luận văn nào, các mô phỏng cũng như kết quả
mô phỏng trong luận văn là hồn tồn trung thực và là cơng trình nghiên cứu của riêng
tôi.

Học viên thực hiện

1


LỜI CẢM ƠN
Trước hết tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo trong trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung và các thầy cơ trong Viện Cơng nghệ thơng tin
và Truyền thơng nói riêng đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
và những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi học tập và rèn luyện.
Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Ngơ Hồng Sơn
người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ dạy và hết lịng giúp đỡ tơi trong q trình
thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã quan tâm,
động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ tơi trong q trình học tập, nghiên cứu hoàn và
hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Do hạn chế về thời gian thực tập, tài liệu và trình độ bản thân, bài đồ án của tôi
không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cơ góp ý và sửa chữa để bài
đồ án tốt nghiệp của tôi được hồn thiện hơn. Tơi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày ...tháng... năm2014
Học viên thực hiện

Phan Văn Quân

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
MỤC LỤC ........................................................................................................ 3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 7
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... 8
PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................... 9
I.

Lý do chọn đề tài .................................................................................... 9

II.

Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................. 10

III. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 10
IV. Tóm tắt kết quả ..................................................................................... 10
V.

Cấu trúc luận văn .................................................................................. 11

CHƢƠNG I ..................................................................................................... 12
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 12
1.1 Mạng cảm biến không dây .................................................................... 12
1.1.1 Nút mạng cảm biến không dây........................................................ 12
1.1.1.1 Cấu trúc của nút cảm biến không dây........................................ 12
1.1.1.2 Đặc điểm của nút mạng cảm biến không dây ........................... 13
1.1.1.3 Những thách thức của nút mạng cảm biến................................. 14
1.1.2 Mạng cảm biến không dây ............................................................... 14
1.1.2.1 Định nghĩa ............................................................................... 14
1.1.2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây .................................... 15
1.1.2.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây......................................... 16
1.1.2.4 Thách thức mạng cảm biến ....................................................... 17
1.1.2.5 Ứng dụng của mạng cảm biến ................................................... 17
1.1.3 Cấu trúc và kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ......................... 18
1.1.3.1 Cấu trúc phẳng .......................................................................... 18

3


1.1.3.2 cấu trúc tầng.............................................................................. 19
1.1.3.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến .................................... 19
1.2 Địa chi IP ............................................................................................... 21
1.2.1 Tổng quan về địa chỉ IP ................................................................... 21
1.2.2 Địa chỉ IPv4 ..................................................................................... 21
1.2.2.1 Cấu trúc và không gian địa chỉ IPv4.......................................... 22
1.2.2.2 Các lớp địa chỉ IPv4 .................................................................. 22
1.2.3 Địa chỉ IPv6 ..................................................................................... 24
1.2.3.1 Nguyên nhân phát triển địa chỉ IPv6 ......................................... 24
1.2.3.2 Cấu trúc không gian của địa chỉ IPv6 ........................................ 25

1.2.3.3 Cách biểu diễn địa chỉ IPv6....................................................... 26
1.2.3.4 Phân loại địa chỉ IPv6 ............................................................... 28
1.2.4 Những điểm mạnh và lợi thế của IPv6 so với IPv4 .......................... 29
1.2.5 Khác biệt cơ bản giữa IPv4 header và IPv6 header .......................... 31
CHƢƠNG II ................................................................................................... 34
IPv6 TRÊN KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................... 34
2.1 Kiến trúc Internet mở rộng ..................................................................... 34
2.1.1 Các thành phần mạng....................................................................... 34
2.1.2 Kiến trúc nhiều lớp .......................................................................... 35
2.1.3 Sự kết hợp liên mạng ....................................................................... 35
2.1.4 Triển khai IPv6 trong mạng cảm biến không dây ............................. 35
2.2 Tránh liên kết cạnh tranh ........................................................................ 36
2.2.1 Các giả định truyền thống ................................................................ 36
2.2.2 Những thách thức cạnh tranh LAN trong mạng cảm biến ................ 36
2.2.3 Phạm vi liên kết cục bộ chồng chéo ................................................. 36
2.3 Đánh giá IPv6 và mơ hình tiền tố............................................................ 37
2.4 Nén Header của IPv6 .............................................................................. 37
2.4.2 Nén Flow-based ............................................................................... 38

4


2.4.3 Nén Stateless ................................................................................... 39
2.4.4 Nén shared-context .......................................................................... 39
2.4.5 Nén kết hợp ..................................................................................... 39
2.4.6 Nén Header IPv6 ............................................................................ 40
2.4.7 Nén Next Header ............................................................................ 40
2.4.8 Nén UDP ......................................................................................... 41
CHƢƠNG III .................................................................................................. 42
THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG IPV6 TRÊN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..... 42

3.1 Mục đích và phương pháp ...................................................................... 42
3.1.1 Mục đích.......................................................................................... 42
3.1.2 Phương pháp .................................................................................... 42
3.2 Các cơng cụ mơ phỏng .......................................................................... 43
3.2.1 Giới thiệu các công cụ mô phỏng ..................................................... 43
3.2.1.1 Máy ảo ..................................................................................... 43
3.2.1.2 Phần mềm mô phỏng mạng cảm biến ........................................ 43
3.2.1.3 Hệ điều hành. ............................................................................ 44
3.2.2 Công cụ lựa chọn ............................................................................. 44
3.2.2.1 Máy ảo Vmware ....................................................................... 44
3.2.2.2 Hệ điều hành Contiki ................................................................ 45
3.2.2.3 Phần mềm mô phỏng Cooja ...................................................... 46
3.3 Kịch bản thử nghiệm .............................................................................. 47
3.3.1 Phân tích kịch bản............................................................................ 48
3.3.2 Mơ hình mạng cảm biến thử nghiệm ................................................ 48
3.3.3 Thiết kế mạng .................................................................................. 48
3.3.4 Thuật toán ........................................................................................ 49
3.3.5 Sơ đồ khối ....................................................................................... 50
3.3.6 Thực hiện......................................................................................... 51
3.3.6.1 Mơ hình mơ phỏng IPv4 trên mạng cảm biến không dây .......... 51

5


3.3.6.2 Mơ hình mơ phỏng IPv6 trên mạng cảm biến không dây .......... 54
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 57
SÁCH THAM KHẢO .................................................................................... 58
Phụ lục ............................................................................................................ 59
Phụ lục 1. Hướng dẫn cài đặt VMware ......................................................... 59
Phụ lục 2 Cài đặt Contiki .............................................................................. 61

Phụ lục 3 Cài đặt Contiki .............................................................................. 63
Phụ lục 4 Hướng dẫn tạo các nút cảm biến .................................................. 65

6


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
STT

Ý nghĩa

Từ viết tắt

1

IPv4

Internet Protocol Version 4

2

IPv6

Internet Protocol version 6

3

WSN

Wireless Sensor Network

4

OSI

Internetwork Operating System

5

TCP

Transmission Control Protocol

6

IETF

Internet Engineering Task Fore

7

RFC

Routing Information Protocol

8

IANA

Internet Assiggned Number Authority

9

RIR

Regional Internet registry

10

DHCP

Dymanic Host Configuration Protocol

11

QoS

Quality of Service

12

PAN

Personal Area Network

13

UDP

User Datagram Protocol

14

ICMPv6

Internet Control Message Protocol version 6

15

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

16

LAN

Local Area Network

17

6LoWPAN

IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks

18

MUT

Maximum Transmission Unit

7


DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Các thành phần cơ bản của một nút cảm biến ....................................... 12
Hình 2 Phân bố nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến ................ 16
Hình 3 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến khơng dây ..................................... 18
Hình 4 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến khơng dây ........................................ 19
Hình 5 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây ..................................... 20
Hình 6 Cấu trúc địa chỉ các lớp của IPv4 ......................................................... 23
Hình 7 Cấu trúc địa chỉ IPv6 ............................................................................ 25
Hình 8 Bảng tra cứu chuyển dổi từ hệ nhị phân sang hệ hexa (cơ số 16) .......... 27
Hình 9 Gói tin gửi tới địa chỉ Unicast ............................................................... 28
Hình 10 Gói tin được gửi tới địa chỉ Multicast ................................................. 29
Hình 11 Gói tin gửi tới địa chỉ anycast ............................................................. 29
Hình 12 IPv4 Header ........................................................................................ 32
Hình 13 IPv6 Header ........................................................................................ 32
Hình 14 Kiến trúc Internet mở rộng.................................................................. 34
Hình 15 Kiến trúc phần mềm IPv6 cho Mạng cảm biến. .................................. 35
Hình 16 Phạm vi liên kết cục bộ chồng chéo .................................................... 37
Hình 17 Nén UDP ............................................................................................ 41
Hình 18 Lịch sử phát triển của Contiki ............................................................. 46
Hình 19 Màn hình mơ phỏng Cooja. ................................................................ 47
Hình 20 Mơ hình bài tốn mạng cảm biến ........................................................ 48
Hình 21 Sơ đồ khối bài tốn cho mạng cảm nhận ............................................. 50
Hình 22 Mô tả khả năng liên lạc của các nút client và server............................ 52
Hình 23 Tool Radio Messages của IPv4 ........................................................... 53
Hình 24 Cảnh báo nếu nhiệt độ vượt ngưỡng ................................................... 54

Hình 25 Tool Radio Message của IPv6 ............................................................ 56
Hình 26Cảnh báo nếu nhiệt độ vượt ngưỡng .................................................... 56
Hình 27 Cài đặt VMware bước 1 ...................................................................... 59
Hình 28 Cài đặt Contiki.................................................................................... 61
Hình 29 Giao diện chương trình contiki ........................................................... 63
Hình 30 Giao diện chương trình Cooja ............................................................. 64
Hình 31 Tạo một simulation ............................................................................. 65
Hình 32 Tạo một nút server .............................................................................. 65
Hình 33 Giao diện mơ phỏng một mạng cảm biến ............................................ 67

8


PHẦN MỞ ĐẦU
I.

Lý do chọn đề tài
Ngày nay, mạng không dây phát triển ngày một mạnh và được chuẩn hóa thành

nhiều dạng khác nhau. Xét về bản chất thì chúng đều là mạng truyền thông không dây,
tuy nhiên xét về cấu hình, quy mơ và mục đích sử dụng khác nhau nên chúng có những
điểm giống nhau và khác nhau trong đó có mạng cảm biến khơng dây. Mỗi một nút
mạng có kích thước rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng rất ít. Tuy nhiên chúng vẫn đảm
đương được những chức năng của một nút mạng, và hơn thế nữa chúng cịn có một
chức năng chính đó là đo các thơng số mơi trường( chức năng cảm biến) nơi chúng có
mặt. Tuy nhỏ bé nhưng lợi ích chúng mang lại thì vô cùng lớn.
Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực này đã chỉ ra rằng “ nhiều bài học kinh nghiệm
từ Internet và thiết kế mạng di động sẽ được áp dụng cho các thiết kế ứng dụng mạng
cảm biến ... mạng lưới cảm cảm biến có đủ những thủ tục để xem xét lại cơ cấu tổng
thể của các ứng dụng và dịch vụ”. Kiến trúc Internet được tránh vì nhiều lí do như sau:

- Nguồn lực khó khăn làm ảnh hưởng đến việc cho ra kiến trúc nhiều lớp.
- Một số lượng lớn các thiết bị, đồng thời chúng không cần giám sát trong việc
triển khai, sẽ ngăn cản sự phụ thuộc vào giao tiếp quảng bá hoặc cấu hình hiện thời
cần thiết để triển khai và vận hành các thiết bị mạng.
- Thuật toán định vị và xử lý bên trong mạng yêu cầu phải linh hoạt và có tính
mở rộng.
- Khơng giống như các mạng truyền thống, một nút cảm biến có thể khơng cần
một danh tính (một địa chỉ).
- Mạng lưới truyền thống được thiết kế để chứa một loạt các ứng dụng. Trong
khi, mạng cảm biến sẽ được đặc dụng với nhiệm vụ cảm biến.
- IPv6 đã ra đời để đáp ứng những yêu cầu phát triển của Internet và công nghệ
mạng và truyền thông hiện nay. Với các ưu điểm vượt trội so với IP4 như:

9


- Không gian địa chỉ lớn, gấp 4 lần so với địa chỉ IPv4 (

=3.3*

).

- Khả năng tự cấu hình (Plug and Play), tự động cấu hình các thơng số phục vụ
ho việc kết nối mạng như địa chỉ IP, địa chỉ gateway, địa chỉ máy chủ tên miền khi có
kết nối mạng.
- Khả năng bảo mật kết nối từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận.
- Quản lý định tuyến tốt hơn và dễ dàng thực hiện multicast.
Hiện nay IPv6 đã được chuẩn hóa và từng bươc đưa vào ứng dụng trong thực tế
và sẽ càng mở rộng trong tương lai. Chính vì lí do cấp thiết trên nên em đã lựa chọn đề
tài “Nghiên cứu và ứng dụng IPv6 trên mạng cảm biến không dây” để nghiên cứu

và làm luận văn tốt nghiệp của mình.
II. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu tổng quan địa chỉ mạng IPv4, IPv6.
- Tìm hiểu tổng quan về cảm biến khơng dây.
- Cấu hình mạng cảm biến khơng dây chạy trên giao thức IPv6.
- Nghiên cứu hoạt động của mạng cảm biến dựa vào phần mềm mô phỏng Cooja
chạy trên nền hệ điều hành Contiki. Từ đó đưa ra đánh giá và nhận xét ưu điểm của
mạng cảm biến khi chạy trên IPv6.
III. Phạm vi nghiên cứu

Việc nghiên cứu về mạng cảm biến không dây là rất rộng, tuy nhiên trong
phạm vi bài luận văn này chỉ trình bày cái nhìn tổng quát về IPv6 và mạng cảm biến
không dây. Đồng thời thực hiện một mô phỏng thử nghiệm của cảm biến là trong hệ
thống cảm biến nhiệt độ.
IV. Tóm tắt kết quả
- Tìm hiểu được khái quát về hệ thống cảm biến không dây và giao thưc IPv6.
- Xây dựng đượng mô hình thực nghiệm của hệ cảm biến khơng dây trên hai giao
thức IPv4 và giao thức IPv6 từ kết quả nhận được để đưa ra đánh giá.

10


V. Cấu trúc luận văn
Nội dung luận văn được chia thành 3 chương như sau:
Chương 1: Cơ sở lí thuyết.
Chương 2: IPv6 trên kiến trúc mạng cảm biến không dây.
Chương 3: Thử nghiệm ứng dụng IPv6 áp dụng cho mạng cảm biến không dây
Kết luận

.

11


CHƢƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Mạng cảm biến không dây
1.1.1 Nút mạng cảm biến không dây
1.1.1.1 Cấu trúc của nút cảm biến không dây
Mỗi nút cảm biến đều được chia thành 4 phần cơ bản là : bộ cảm biến, bộ xử lý,
bộ thu phát không dây và nguồn điện. Ngồi ra cịn tùy vào ứng dụng cụ thể mà nút
cảm biến có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống định vị, bộ sinh năng lượng
và thiết bị di dộng.

Hình 1 Các thành phần cơ bản của một nút cảm biến
Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và
bộ chuyển đổi trương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau
đó chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi (ADC) rồi mới được đưa đến bộ xử lý.
Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thơng tin cảm biến và quản lí
các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm
bảo thông tin giữa các nút cảm biến và mạng bằng kêt nối khơng dây, có thể là vơ
tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang học. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các
thiết bị sinh điện ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ hoặc pin.

12


Ở một số hệ thống cảm biến thì địi hỏi phải có các thiết bị định vị để có thể biết
được vị trí chính xác các nút đang ở đâu, các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để
di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo hồn thành các nhiệm vụ được

phân cơng
1.1.1.2 Đặc điểm của nút mạng cảm biến khơng dây
a, Kích thƣớc vật lý nhỏ gọn
Kích thước và cơng xuất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương
tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú
trọng đến giảm kích cỡ và cơng xuất tiêu thụ với u cầu nhất định về khả năng hoạt
động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần
cứng.
b, Hoạt động đồng thời ở độ tập trung cao
Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển
các thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích
và đáp ứng. Vì bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính tốn rất kỹ về khối lượng công việc cần
xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử
lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực. Do đó, các nút mạng
phải thực hiện nhiều cơng việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
c, Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên
kết xử lý – lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều
trong hệ thống thơng thường. Điển hình, bộ cảm biến cung cấp một giao diện đơn giản
trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chíp đơn (giảm khả năng tiêu thụ điện). Ngược lại
các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với
một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển bởi một cấu trúc phức tạp.
d, Đa dạng trong thiết kế và mở rộng

13


Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng
cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một
phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý

khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm
để có được ứng dụng từ phần cứng. Như vậy các loại thiết bị này cần một sự điều
chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả xử dụng phần cứng là cao
nhất. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể
xây dựng trên một tập các thiết bị mà khơng cần giao diện phức tạp. Ngồi ra, cũng có
thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng và phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.1.1.3 Những thách thức của nút mạng cảm biến
Mức tiêu thụ điện năng là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến
khơng dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc nguồn năng
lượng thấp bên ngồi. Chính vì vậy mà các nhà sản xuất các nút mạng phải sử dụng
các linh kiện phần cứng có cơng xuất tiêu thụ điện thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa
dòng rò rỉ cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả để giảm năng lượng, các phần mềm
chạy trên nút cảm biến phải có cơ chết ngắt các thành phần phần cứng không dùng đến
và duy trì cơ chế này càng lâu càng tốt nhằm giảm sự tiêu hao điện năng khơng mong
muốn.
Kích thước vật lý và giá thành cũng có ảnh hưởng khơng nhỏ đến các nhà thiết
kế phần cứng lẫn phần mềm. Các thiết bị địi hỏi phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng
các linh kiện cần phải ít, và giá thành thấp. Các phần mềm cũng phải nhỏ gọn hơn vì
họ chỉ có vài ngàn byte cho bộ nhớ để cài đặt và làm việc.
1.1.2 Mạng cảm biến không dây
1.1.2.1 Định nghĩa
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp
các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
bluetooth) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy
mô lớn trong bất kỳ điều kiền và bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến khơng dây có

14


thể liên kết trực tiếp với các nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một

điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút
cảm biến khơng dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều
khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo khơng gian sống thơng minh.... lợi
ích của chúng là có thể triển khai ở bất kỳ loại hình địa lý nào kể cả các môi trường
nguy hiểm mà khơng thể sử dụng các loại cảm biến có dây truyền thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ tạo
nên một thiết bị cảm biến khơng dây với kích thước rất nhỏ, tiết kiệm khơng gian.
Chúng có thể hoạt động trong một mơi trường dày đặc và có khả năng xử lí ở tốc độ
cao.
1.1.2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các nút được triển
khai dầy đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng thăm dò, thu thập thơng tin dữ liệu. Vị
trí các cảm biến khơng cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên trong
các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng
và cộng tác làm việc của các mạng cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản
của mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì
truyền thơng đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ sao cho nhỏ nhất (so với
truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền
trong khoảng cách xa.

15


Hình 2 Phân bố nút cảm biến phân bố rải rác trong trường cảm biến
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến khơng dây được thể hiện trong hình 2 các
nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor field). Mỗi nút cảm
biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập số liệu, định tuyến số liệu về bộ
thu nhận (sink) để chuyển tới người dùng (user) và định tuyến các bản tin mang theo
yêu cầu từ nút sink đến các nút cảm biến.

Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận Sink theo đúng cấu trúc đa liên kết
khơng có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Intrastructureless Architeture), tức là
khơng có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên
lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp
thông qua Internet hay vệ tinh (Satallite).
Trong các mạng cảm biến khơng dây, các nút cảm biến có cả hai chứ năng đó là
vừa thu thập dữ liệu vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy việc truyền thông có thể
được thực hiện bởi hai chức năng đó là:
- Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực
hiện sự truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến nút Sink.
- Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc chuyển tiếp
các gói tin nhận được từ các nút khác tới một nút kế tiếp gần Sink hơn hoặc chuyển
thẳng đến Sink.
1.1.2.3 Đặc điểm mạng cảm biến khơng dây
- Khả năng tự tổ chức, u cầu ít hoặc khơng có sự can thiệp của con người.
- Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
Multihop.
- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến.
- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên do vị trí các nút mạng bị thay đổi hoặc
do một số nút mạng bị hỏng.
- Các giới hạn về năng lượng, công xuất phát, bộ nhớ và khả năng xử lý.
Chính vì những đặc điểm này mà tùy vào yêu cầu sử dụng mà có những thay đổi trong
thiết kế mạng cảm biến.

16


1.1.2.4 Thách thức mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn về quy mơ, số lượng các nút tham
gia trong hệ thống và dữ liệu tạo bởi mỗi nút, nhiều mạng không dây bao gồm hàng

ngàn nút cảm biến.
Kích thước mạng ảnh hưởng nhiều đến giao thức định tuyến trong mạng cảm
biến khơng dây. Định tuyến có thể tập trung hoặc phân tán. Trong trường hợp là định
tuyến tập trung thì mạng cảm biến sẽ có một máy chủ tính tốn bản đồ định tuyến và
tập trung cho tồn bộ mạng, cịn với định tuyến phân tán thì tại các nút sẽ tự quyết
định lựa chọn tuyến đường gửi mỗi bản tin.
Việc thiết kế các giao thức là quan trọng vì nó ảnh hưởng đến hiệu năng mạng
xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ truyền dữ liệu để có thể
vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng. Trong mạng cảm biến khơng dây địi hỏi
năng lượng. Các nút thực hiện truyền nhiều thông tin sẽ mất năng lượng nhanh hơn so
với các nút ở chế độ ngủ.
Tính chất quy mô lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm việc
định địa chỉ của nút. Các địa chỉ cần có độ dài đủ lớn sao cho mỗi nút trong mạng cảm
biến phải có một địa chỉ để các bản tin được gửi tới nó. Và ngay cả khi mạng cảm biến
được kết nối ra các mạng khác bên ngoài, trường hợp này thi địa chỉ của các nút mạng
trong hai mạng phải là duy nhất.
Với các mạng cảm biến không dây ở dạng Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để
tự quản lý chính nó mà khơng bất kỳ sự điều hành nào từ con người. Khác với mạng
máy tính truyền thống, mỗi máy tính khi hết nối mạng đều có u cầu kết nối mạng
thủ cơng, điều đó khơng khả thi với hệ thống mạng cảm biến có số lượng các nút mạng
lên đến hàng nghìn.
Cơ chế can thiệp, truy cập dữ liệu từ bên ngoài, các dữ liệu thu thập được cần
phải đưa ra để xử lý hoặc lưu trữ tại một nơi nào đó hoặc thay cần thay đổi mạng cảm
biến trong quá trình hoạt động.
1.1.2.5 Ứng dụng của mạng cảm biến
- Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia: giám sát chiến trường, theo dõi
mục tiêu, rà sốt bom mìn.

17

- Ứng dụng trong môi trường: phát hiện hoạt động của núi lửa, giám sát cháy
rừng, giám sát dịch bệnh.....
- Ứng dụng trong gia đình: điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà, hệ thống
giám sát và cảnh báo an ninh.
- Ứng dụng trong y học: cảm biến gắn trên cơ thể người nhằm phân thích tình
trạng sức khỏe cá nhân nhằm đưa ra các cảnh báo trước những biến chứng bệnh có thể
xảy ra.
- Ứng dụng trong nghiên cứu: gắn trên các động vật hoang dã và theo dõi q
trình hoạt động của chúng, đặc tính di cư và tập tính sống của chúng.
1.1.3 Cấu trúc và kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
1.1.3.1 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất về cả hình
dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với nút sink qua multihop sử dụng các nút ngang
hàng làm bộ phận chuyển tiếp. Với phạm vi truyền cố định. Các nút gần nút sink hơn
sẽ đóng vai trị làm bộ tiếp sóng cho các nút ở xa hơn.

Hình 3 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây

18


1.1.3.2 cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một
cụm được gửi dữ liệu singlehop hay multihop đến một nút định sẵn, thường gọi là nút
chủ. Trong cấu trúc này thì các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở
một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Trong cấu trúc này thì chức năng cảm biến và truyền dữ liệu là không đồng đều
giữa các nút mà được phân cấp, ví dụ cấp thấp nhất sẽ chịu trách nhiệm cảm biến, nút
giữa thực hiện các tính tốn cịn các nút trên cùng sẽ thực hiện việc phân phối dữ liệu.

Cấu trúc này hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng vì cấu trúc phân tầng có thể
giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà nó hoạt

động hiệu quả nhất. Cấu trúc này cũng có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng.

Hình 4 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây
1.1.3.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản
lý. Các mặt bằng quản lý này sẽ giúp cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách

19


hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên
giữa các nút cảm biến.

Hình 5 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Tùy theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây
dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp truyền tải (giao vận) giúp duy trì dịng số liệu
khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu, chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch
được truy cập thơng qua mạng internet hoặc các mạng bên ngoài khác. Lớp mạng tập
trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp liên kết dữ liệu
có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy
cập đường truyền và điều khiển lỗi. Lớp vật lý có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra
sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu.
Mặt bằng quản lý năng lượng làm nhiệm vụ điều phối năng lượng, quản lý việc
sử dụng năng lượng của nút cảm biến như thế nào. Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộ
phận nhận sau khi nhận một bản tin từ nút lân cận. Điều này có thể tránh việc nhận bản
tin tới hai lần. Ngồi ra, khi mức năng lượng thấp, nút cảm biến sẽ thông báo tới tất cả
các nút lân cận rằng mức năng lượng của nó thấp nên nó khơng thể tham gia vào việc

định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng
quản lý di động có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút, các nút
giữ việc theo dõi xem ai là hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý cân bằng và sắp

20


xếp nhiệm vụ cảm biến trong một vùng quang tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến
đều thực hiện nhiệm vụ ở cùng một thời điểm
1.2 Địa chi IP
1.2.1 Tổng quan về địa chỉ IP
IP là viết tắt của từ tiếng Anh: International Protocol- giao thức toàn cầu. Là một
đơn vị đơn nhất mà những thiết bị điện tử hiện nay đang sử dụng để nhận diện và liên
lạc với nhau trên mạng máy tính bằng cách sử dụng tiêu chuẩn giao thức toàn cầu IP.
Mỗi địa chỉ IP duy nhất trong cùng một cấp mạng.
Nói cách khác thì IP một địa chỉ IP là địa chỉ của một máy tính khi tham gia vào
mạng nhằm giúp cho máy tính đó có thể truyền thơng tin cho nhau một cách chính xác,
tránh thất lạc. Có thể coi địa chỉ IP trong máy tính giống như địa chỉ nhà của bạn. Để
nhân viên bưu điện có thể đưa thư đúng cho bạn chứ không phải đưa cho người khác.
Địa chỉ IP là một phần quan trọng trong hệ giao thức TCP/IP là hệ giao thức
được phát triển từ mạng ARPANET và Internet và được dùng như giao thức mạng và
vận chuyển mạng trên mạng Internet. TCP (Transmission Control Protocol) là giao
thức thuộc tầng vận chuyển và IP (Internet Protocol) là giao thức thuộc tầng mạng
trong mơ hình OSI. Hiện nay các máy tính của hầu hết các mạng có thể sử dụng giao
thức TCP/IP để liên kết với nhau thông qua nhiều hệ thống mạng với các kỹ thuật khác
nhau.
Nhiệm vụ chính của giao thức IP là cung cấp khả năng kết nối các mạng con
thành liên kết mạng để truyền dữ liệu, vai trò của IP là vai trò của giao thức tầng mạng
trong mơ hình OSI. Giao thức IP là một giao thức kiểu khơng liên kết có nghĩa là
khơng cần có giai đoạn thiết lập liên kết trước khi truyền giữ liệu.

1.2.2 Địa chỉ IPv4
IPv4 là giao thức internet phiên bản 4 là phiên bản thứ 4 trong quá trình phát
triển các các giao thức internet. Đây là phiên bản đầu tiên của IP được xử dụng rộng
rãi giao thức này được công bố vởi IETF trong phiên bản RFC-791 được phát hành
năm 1981.

21


1.2.2.1 Cấu trúc và không gian địa chỉ IPv4
a, Không gian địa chỉ IPv4
IPv4 sử dụng 32 bits để đánh địa chỉ, theo đó số địa chỉ tối đa có thể sử dụng là
tương đương với 4,3 tỷ địa chỉ khác nhau. Tuy nhiên do một số địa chỉ được sử
dụng cho các mục đích khác như: cấp cho mạng cá nhân (xấp xỉ 18 triệu địa chỉ) hoặc
sử dụng làm địa chỉ quảng bá (xấp xỉ 16 triệu), nên một số địa chỉ thực tế có thể xử
dụng cho mạng Internet công cộng bị giảm xuống, với sợ phát triển mạnh của Internet
hiện nay dẫn đến lượng địa chi IPv4 ngày một cạn kiệt và thời gian tới địa chỉ IPv4 sẽ
không đủ để đặt địa chỉ cho PC, di động, các thiết bị đện tử khác nối tực tiếp tới
Internet.
b, Cấu trúc địa chỉ IPv4
Địa chi IPv4 gồm có 32 bits và được chia thành 4 nhóm 8 bit hay còn được gọi là
các octet. Các octet được biểu diễn dưới dạng thập phân và được ngăn cách nhau bằng
cáu dấu chấm (.). Địa chỉ IP được chia thành 2 phần: Phần mạng (network) và phần
máy chạm (host).
Địa chỉ IP thường biểu diễn dưới dạng: X.Y.Z.T Trong đó X,Y,Z,T là có giá trị
từ 0 đến 255.
Ví dụ ta có địa chỉ IPv4 dưới dạng nhị phân:
11001011101000100011100110110111
Ta chia 32 bít này thành các 4 nhóm 8bits cách nhau bởi dấu chấm (.).
=> 11001011.10100010.00110001.10110111

=> 203.162.57.183
1.2.2.2 Các lớp địa chỉ IPv4
Để dễ dàng quản lý được các lớp địa chỉ IPv4 người ta đã chia địa chỉ IP thành
các lớp khác nhau:
Trên thực tế địa chỉ IP được chia thành 5 lớp A,B,C,D,E trong đó chỉ có lớp
A,B,C được đưa vào sử dụng rộng rãi còn lớp D dành cho kỹ thuật, lớp E dành cho các
phương án với mục đích dự phòng.

22


Hình 6 Cấu trúc địa chỉ các lớp của IPv4
Các lớp của IPv4 được sử dụng gồm:
a, Lớp A (0

127)

Địa chỉ A sử dụng 7 bit của octet thứ nhất dành cho địa chỉ mạng, 3 octet sau là
phần host.
Bít đầu của địa chỉ lớp A ln có giá trị là 0.
Do đó các địa chỉ lớp A gồm 1.0.0.0 →127.0.0.0. tuy nhiên mạng 127.0.0.0 sử
dụng làm mạng loopback nên mạng A sử dụng được gồm 1.0.0.0→126.0.0.0 (126
mạng)
Ứng với mỗi mạng đó ta có

-2=16.777.214 (16 triệu host).

Tại lớp A có địa chỉ máy nhiều, địa chỉ mạng ít. Lớp này được dùng cho mạng có
số máy trạm cực lớn.
b, Lớp B (128≤X≤191)

Địa chỉ lớp B dùng 2 octet đầu làm phần mạng, 2 octet này làm phần host.
Hai bit đầu tiên của địa chỉ lớp B ln có giá trị là 10. Do đó các địa chỉ mạng
lớp B gồm 128.0.0.0 đến 191.255.0.0

23