LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE

TRẦN HẢI YẾN
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG







Trần Hải Yến


HỆ THỐNG THÔNG TIN

THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




2012 – 2013

HÀ NỘI
2013

HÀ NỘI - 2014
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG








Trần Hải Yến



THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE


Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số : 60.48.01.04


LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS Đặng Văn Chuyết






HÀ NỘI - 2014
i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung
của luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên những
tạp chí và các trang web theo danh mục tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có
xuất xứ rõ ràng và đƣợc trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.



Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2013
Tác giả luận văn



Trần Hải Yến

ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Đặng Văn Chuyết,
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, tận tình chỉ bảo và định
hƣớng trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể thầy cô giáo của Học viện Công
nghệ Bƣu chính Viễn thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong suốt quá trình học
tập tại trƣờng từ khi còn học đại học cho đến sau đại học.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những ngƣời đã luôn
ở bên cổ vũ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi để em có thể học tập tốt.
Em xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii
MỞ ĐẦU 1
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE 3
1.1. Tổng quan về IEEE 802.15.4 3
1.2. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4 4
1.3. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802.15.4 5
1.3.1. Khái niệm 5
1.3.2. Ƣu và nhƣợc điểm của ZigBee 6
1.3.3. Dải tần trong mạng ZigBee 7
1.4. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee 9
1.4.1. Tổng quan 9
1.4.2. Kiến trúc cụ thể của mạng ZigBee 10
1.4.3. Mô hình mạng ZigBee 11
1.4.4. Một số ứng dụng của mạng cảm biến ZigBee 12

Chƣơng 2 – THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 14
2.1. Tổng quan định tuyến 14
2.1.1. Khái niệm 14
2.1.2 Thuật toán định tuyến 16
2.2. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee 17
2.2.1. Định tuyến ZigBee 18
2.2.2. Quảng bá gói tin trong ZigBee (ZigBee Broadcasting) 19
2.2.3. Quan hệ nhiều - một – Many-to-one 20
2.3. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV 21
iv

2.3.1. Tổng quan 21
2.3.2. Tìm đƣờng - Path Discovery 22
2.3.3. Thiết lập đƣờng ngƣợc 23
2.3.4. Thiết lập đƣờng tiến 23
2.3.5. Quản lý bảng định tuyến 25
2.3.6. Bảo trì đƣờng dẫn 25
2.3.7. Quản lý kết nối cục bộ 26
2.4. Thuật toán hình cây 27
2.4.1. Tổng quan 27
2.4.2. Cây đơn nhánh 28
2.4.3. Cây đa nhánh 30
2.5. Vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee 31
2.6. Thuật toán định tuyến tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm biến ZigBee 35
Chƣơng 3 – MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG
41
3.1. Công cụ mô phỏng 41
3.1.1. Ubuntu 10.04 41
3.1.2. NS-2 41
3.2. Xây dựng kịch bản 45

3.2.1. Thuật toán AODV 45
3.2.2. Mạng ZigBee 46
3.3. Thử nghiệm 46
3.4. Đánh giá kết quả 48
3.4.1. Thuật toán định tuyến AODV 48
3.4.2. Mạng ZigBee 54
Kết quả trong Nam 54
KẾT LUẬN 57
HƢỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
PHY
Physical Layer
Tầng vật lý
DLL
Data Link Layer
Tầng liên kết dữ liệu
PAN
Private Area Net
Khu vực mạng riêng tƣ
LLC
Logical Link Control
Điều khiển kết nối logic

MAC
Media Access Control
Điều khiển truy cập
truyền thông
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple
Access/ Collision Avoidance
Đa truy cập nhận biết
sóng mang phát hiện
xung đột
OSI
Open Systems
Interconnection Reference
Model
Mô hình tham chiếu kết
nối các hệ thống mở
ACK
Acknowledgment
Sự thừa nhận
WLAN
Wireless Local Are Network
Mạng không dây cục bộ
FFD
Full Function Device
Thiết bị đầy đủ chức
năng
RFD
Reduced Function Device
Thiết bị giảm chức
năng

NL
Network Layer
Tầng mạng
AL
Application Layer
Tầng ứng dụng
NLME
Network Layer Management
Entity
Tầng mạng quản lý
thực thể
vi

NLDE
Network Layer Data Entity
Tầng mạng dữ liệu thực
thể
ZDO
ZigBee Device Object
Đối tƣợng thiết bị
ZigBee
ZAP
ZigBee Application Profile
Hồ sơ ứng dụng ZigBee
ZC
ZigBee Coordinator
Điều phối ZigBee
ZR
ZigBee Router
Định tuyến ZigBee

ZED
ZigBee End Device
Thiết bị cuối ZigBee
PSTN
Public Switched Telephone
Network
Mạng điện thoải
chuyển mạch công
cộng
RD
Routing Device
Thiết bị định tuyến
RREQ
Route Request
Yêu cầu định tuyến
RREP
Route Reply
Trả lời định tuyến
LLACK
Link Layer ACK
Tầng kết nối ACK
DD
Designated Device
Thiết bị đƣợc chỉ định
HERA
Hierarchical Routing
Algorithm
Thuật toán phân cấp
định tuyến

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG


Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang
1.1
Bảng ƣu nhƣợc điểm của ZigBee
6
1.2
So sánh ZigBee và Bluetooth
7
1.3
Nhà cung cấp ZigBee
13

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


Số hiệu hình
vẽ

Tên hình vẽ

Trang
1.1
Các ứng dụng không dây
5
1.2
Dải Tần ZigBee
7
1.3
Kiến trúc OSI và kiến trúc ZigBee
9
1.4
Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp – Stack) trong

kiến trúc ZigBee
10
1.5
Mô hình tầng ZigBee đơn giản
11
1.6
Các mô hình mạng trong ZigBee
11
1.7
Các ứng dụng trong mạng cảm biến
ZigBee
13
2.1
Định tuyến Anycast -1
15
2.2
Định tuyến Anycast -2
15
2.3
Định tuyến Broadcast
16
2.4
Định tuyến Multicast
16
2.5
Định tuyến Unicast
16
2.6
Mô hình định tuyến ZigBee đơn giản
18

2.7
Mô tả quá trình tìm đƣờng – path
discovery
23
ix

3.1
Kiến trúc và thƣ mục cài đặt NS-2.34
trong môi trƣờng Linux(Ubuntu)
39
3.2
Bắt đầu với node 19, đích đến là node 6
45
3.3
Định tuyến giữa các node trong AODV
45
3.4
Quá trình truyền tin sau khi đã định tuyến
trong AODV
46
3.5
Khởi đầu với 7 node trong mạng hình sao
48
3.6
Quá trình truyền tin từ PAN Coor đến các
node truyền tiếp đi
49
3.7
Truyền gói tin giữa node 0 và node 1
49

3.8
Toàn bộ 101 node đƣợc khởi tạo trong mô
hình
50
3.9
Quá trình truyền tin của mạng ZigBee
50
3.10
Quá trình truyền tin của mạng ZigBee
51
3.11
Quá trình truyền tin của mạng ZigBee
51







1

MỞ ĐẦU

Mạng viễn thông ngày nay đã tạo ra một cầu nối liên kết loài ngƣời trên khắp
thế giới, con ngƣời sử dụng mạng để trao đổi, quản lý, giao tiếp, mua bán… Việc sử
dụng tai nghe không dây, truy cập wifi đang trở nên quen thuộc và tác động đến đời
sống hàng ngày. Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, mạng cảm
biến không dây xuất hiện ngày một phổ biến với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực
của cuộc sống nhƣ ứng dụng giám sát và điều khiển trong sản xuất, tự động hóa gia

đình và điện dân dụng, ứng dụng trong y tế và giám sát sức khỏe
Một yêu cầu rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây là tiết kiệm năng
lƣợng của pin để đảm bảo cho mọi hoạt động mạng ổn định trong một khoảng thời
gian đủ lớn. Mặc dù mạng ZigBee có mức tiêu hao năng lƣợng thấp nhƣng việc lựa
chọn giải thuật định tuyến tối ƣu năng lƣợng cũng quyết định rất lớn đến hoạt động
lâu dài của mạng.
Mạng ZigBee là đƣợc áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có
tốc độ truyền tin thấp nhƣng chu kỳ hoạt động dài. Đối tƣợng mà mạng ZigBee
nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa
quá trình( Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi,
tiếp nhận và xử lý thông tin trong các lĩnh vực nhƣ y tế (Health Care), quản lý năng
lƣợng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)…Khi đƣợc sử dụng trong các hệ thống
này, mạng ZigBee phát huy tất cả những điểm mạnh của nó nhƣ độ trễ truyền tin
thấp, tiêu hao ít năng lƣợng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng
pin dài.
Luận văn “Thuật toán định tuyến tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm
biến ZigBee” nghiên cứu các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee, đặc biệt tập
trung vào vấn đề tối ƣu năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến.



2

Luận văn gồm có 3 chƣơng :
Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến ZigBee
Chƣơng này tìm hiểu về khái niệm và cấu trúc mạng cảm biến ZigBee
Chương 2 : Thuật toán định tuyến
Chƣơng này tập trung tìm hiểu về một số thuật toán định tuyế và vấn đề tối ƣu năng
lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee
Chương 3 : Mô phỏng thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng

Chƣơng này giới thiệu về công cụ mô phỏng, cách thức cài đặt và kết quả thử
nghiệm, đánh giá














3

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE

Mạng cảm biến ZigBee đƣợc xây dựng theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, vì vậy
để có cái nhìn khái quát nhất, ta tìm hiểu qua về chuẩn IEEE 802.15.4
1.1. Tổng quan về IEEE 802.15.4
Chuẩn giao thức IEEE 802.15.4 đƣợc quy định tại tầng vật lý (Physical
Layer- PHY) và tầng liên kết dữ liệu (Data Link Layer – DLL). Nó là chuẩn cho
giao tiếp trong mạng không dây, năng lƣợng thấp. Các thiết bị trong mạng tự tổ
chức thành một mạng nhỏ gọi là mạng cá nhân (Private Area Net – PAN).
IEEE 802.15.4 định nghĩa hai tầng con của tầng DLL – Điều khiển liên kết
logic (Logical Link Control – LLC) và Điều khiển truy cập truyền thông (Media
Acsess Control – MAC). Tầng MAC định nghĩa việc truy cập tới môi trƣờng chung

của nhiều thiết bị bằng cách sử dụng các giao thức thích hợp nhƣ là Carrier Sense
Multiple Access/ Collision Avoidance – (CSMA/CA), trong khi đó LLC phân phát
các gói dữ liệu tới dịch vụ tƣơng ứng ở tầng mạng (Network Layer – NL).
Tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu trong chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa
đầy đủ môi trƣờng trong việc giao tiếp và các nguyên lý cho việc truy cập môi
trƣờng theo các cách thích hợp.
Tại tầng vật lý của mô hình OSI, ZigBee căn cứ vào chuẩn IEEE 802.15.4 –
2003 sử dụng công nghệ truyền sóng radio với Offset-Quadrature Phase Shift
Keying (O-QPSK) và Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) nâng cao tỷ lệ
signal-to-noise.
CSMA/CA đƣợc sử dụng tại DLL để tránh xung đột. Việc kiểm tra sự toàn
vẹn dữ liệu đƣợc thực hiện bằng cách truyền lại và sử dụng ACK tại mỗi node để
giảm thiểu khả năng mất dữ liệu.
4

Việc đánh giá độ tin cậy của một mạng đƣợc thực hiện nhờ tính toán tỷ lệ
signal-to-noise và năng lƣợng nhận đƣợc tại điểm cuối liên kết.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa các dải tần sử dụng khác nhau. Tiêu biểu
có dải tần số 2.4 GHz đƣợc sử dụng cho các thiết bị xây dựng. Mạng cục bộ không
dây – WLAN ( chuẩn IEEE 802.11) và mạng Bluetooth ( chuẩn IEEE 802.15.1)
cũng sử dụng dải tần số này.
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa hai loại thiết bị :
 Thiết bị chức năng đầy đủ (Full Function Device) – FFD
 Thiết bị bình thƣờng (Reduced Function Device) – RFD.
Sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại thiết bị này chính là RFD không có khả
năng khởi động cho một mạng cá nhân (Private Are Network - PAN). Chính vì thế
PAN luôn đƣợc khởi động bằng FFD. Hơn thế nữa, việc giao tiếp trực tiếp chỉ cho
phép giữa hai thiết bị FFD hoặc giữa một FFD và một RFD, không cho phép giao
tiếp giữa các RFD với nhau.
Một mạng PAN là một mạng bao gồm các thiết bị trong một khoảng nhỏ. Sự

kết hợp nhiều mạng PAN là có thể, thậm chí khi các mạng PAN đó sử dụng chung
một tần số. Với cấu trúc tự tổ chức, các mạng PAN rất dễ dàng bảo trì và tự sửa lỗi.
1.2. Cấu hình mạng theo chuẩn IEEE 802.15.4
Chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp 2 cấu hình mạng cơ bản, mạng hình sao
(Star) và mạng ngang hàng (Peer-to-Peer).
Trong mạng hình sao, một node trung tâm là FFD. Node trung tâm sẽ chịu
trách nhiệm đảm bảo giao tiếp giữa các RFD trong mạng. Khi một RFD muốn giao
tiếp với một RFD khác trong mạng, nó bắt buộc phải giao tiếp thông qua node trung
tâm. Mạng cấu hình này sẽ làm quá tải node trung tâm, và khi node trung tâm bị
hỏng thì mọi giao tiếp giữa các thiết bị RFD trong mạng sẽ không thực hiện đƣợc.
Trong mạng ngang hàng, thiết bị FFD sẽ trực tiếp giao tiếp với các thiết bị khác.
Giao tiếp giữa các thiết bị RFD là cho phép, lúc này FFD đóng vai trò nhƣ một bộ
5

chuyển tiếp. Trong mạng này, một thiết bị lỗi có thể đƣợc loại bỏ đi bằng cách tăng
thêm số hàng xóm trực tiếp. Tuy nhiên, với mạng ngang hàng thì việc định tuyến
dọc theo mạng là không thể, khả năng duy nhất để giao tiếp thông qua mạng đó là
sử dụng quảng bá, tuy nhiên việc đó sẽ tăng đƣờng truyền trong mạng.
1.3. Mạng cảm biến ZigBee theo chuẩn IEEE 802.15.4
1.3.1. Khái niệm
Chúng ta đã từng biết đến các chuẩn giao tiếp không dây khá phổ biến nhƣ
:Wimax, 3G, Bluetooth Với các ứng dụng video không dây, dữ liệu không dây,
mạng không dây, cảm biến không dây….


Hình 1.1 : Các ứng dụng không dây
Trong những năm gần đây xuất hiện một chuẩn giao tiếp mới đƣợc ứng dụng
rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đó là mạng ZigBee (đƣợc công bố lần đầu tiên vào
năm 2002 bởi liên minh ZigBee).
Mạng ZigBee đƣợc tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá

thành và công suất thấp nhƣng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng.
6

Mạng ZigBee đƣợc phát triển và xúc tiến bởi hãng ZigBee Alliance, với sự hỗ trợ từ
hơn 200 công ty trên thế giới nhƣ: SIEMENS, ATMEL, NI, NEC, TEXAS
INSTRUMENTS, EPSON
Về bản chất mạng ZigBee cũng là một chuẩn giao tiếp không dây nhƣ những
chuẩn không dây khác (UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth ) nhƣng nó mang những
đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng
dụng nhất định.
Theo nhƣ hình trên có thể thấy rằng mạng ZigBee có đặc điểm là phạm vi
hoạt động hẹp, tốc độ truyền trong mạng ZigBee thích hợp cho các cảm biến không
dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển.
1.3.2. Ưu và nhược điểm của ZigBee
Để thấy đƣợc ƣu điểm và nhƣợc điểm của mạng ZigBee có thể theo dõi bảng
dƣới đây.
Bảng 1.1 : Bảng ƣu, nhƣợc điểm của ZigBee
Ƣu điểm
Nhƣợc điểm
* Giá thành thấp
* Tiêu thụ công suất nhỏ
* Kiến trúc mạng linh hoạt
* Đƣợc hỗ trợ bởi nhiều công ty
* Số lƣợng các node lớn (65k)
* Lỗi ở một điểm chính có thể
gây lỗi hệ thống.
* Tốc độ truyền thấp
* Chƣa có đầy đủ các thiết bị
để phát triển

Để cho rõ ràng hơn, ta hãy làm một phép so sánh giữa Mạng ZigBee và một
chuẩn không dây cũng khá phổ biến khác.


7

Bảng 1.2: So sánh ZigBee và Bluetooth
Đặc tính
ZigBee
Bluetooth
Tiêu thụ công suất
10W
100W
Giá thành ( đầu 2005)
1,1 $
3$
Độ nhạy
-92dbm(0,63pW)
-62dbm(6,2pW)
Độ linh hoạt
65536 node
(trong sơ đồ sao)
7 node
(trong sơ đồ sao)
Độ an toàn
128 bit mã hóa
64/128 bit mã hóa
Vùng làm việc
Hiệu quả ở 10 - 75m
Hiệu quả ở < 10m

Có thể thấy rằng với những ứng dụng cho nhiều phần tử, yêu cầu độ linh hoạt cao,
giá thành thấp, tiêu thụ công suất nhỏ thì dùng Mạng ZigBee là rất phù hợp.
1.3.3. Dải tần trong mạng ZigBee
Tín hiệu truyền trong mạng ZigBee thực chất là tín hiệu radio và đƣợc hỗ trợ
trong các dải tần số sau:






Hình 1.2: Dải Tần ZigBee
8

Dải 868,3 Mhz: Chỉ một kênh tín hiệu .Trong dải này tốc độ truyền là 20kb/s.
Dải 902 Mhz - 928 Mhz: Có 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thƣờng là
0kb/s.
Dải 2,4 Ghz - 2,835 Ghz: có 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền 250 kb/s.
Trong nhiều ứng dụng, ngƣời ta hay dùng dải tần 2,4 Ghz - 2,835 Ghz. Đây
là dải tần phổ biến và đƣợc hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với mạng ZigBee, dải
tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc
độ truyền lớn nhất: 250kb/s.
Nhƣ vậy ta có thể thấy rằng mạng ZigBee đã thừa hƣởng những ƣu điểm của
mạng cảm biến không dây nhƣ:
 Độ linh động cao
 Mức tiêu thụ năng lƣợng thấp
 Bảo mật cao
 Sử dụng nhƣ một chuẩn mở
Sở dĩ có thể nói nhƣ vậy là do:

 Mạng không dây bản chất là không tin cậy, nguyên nhân là do đặc
tính vật lý của nó. Kim loại, nƣớc, thậm chí cả cơ thể con ngƣời cũng có thể là vật
cản sóng hoặc ảnh hƣởng tới sóng truyền trong mạng không dây. Tránh một thiết bị
không dây để nhận sóng truyền từ một thiết bị là hết sức dễ dàng. Chính vì thế, các
thiết bị trong mạng ZigBee sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để làm tăng độ tin cậy
của mạng không dây.
 Bảo mật trong mạng ZigBee dựa trên thuật toán chuẩn mã hóa cao cấp
– AES 128. Sự chứng thực và tính toàn vẹn của thông điệp đƣợc cung cấp bởi 1 bộ
mã hóa để đảm bảo độ tin cậy giao tiếp giữa hai node trong mạng. Ý tƣởng của việc
này dựa trên một trung tâm xác thực. Điển hình cho kiểu thiết kế này chính là thiết
bị ZC (ZigBee Coordinator), nó đƣợc thiết kế nhƣ một trung tâm xác thực thông tin.
9

Khi mà khái niệm về trung tâm xác thực đƣợc sử dụng, tất cả khóa cho việc mã hóa
thông tin giữa hai thiết bị đều đƣợc cung cấp bới trung tâm xác thực.
 Mạng ZigBee đƣợc thiết kế và phân phối giống nhƣ một chuẩn mở
toàn cầu. Nó cung cấp mọi khả năng cho các nhà sản xuất có thể sản xuất các thiết
bị dựa trên các đặc tả ZigBee cung cấp với giả rẻ. Hơn thế nữa, sự tƣơng thích giữa
các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau là rất tốt, miễn sao các nhà sản xuất tuân
thủ đúng các chuẩn do mạng ZigBee cung cấp. Đây là một điều có lợi cho ngƣời
tiêu dùng, ngƣời tiêu dùng có thể mua giá rẻ, đƣợc lựa chọn các sản phẩm của các
nhà sản xuất khác nhau mà không cần lo lắng vấn đề tƣơng thích giữa các thiết bị
ZigBee của các nhà sản xuất khác nhau.
1.4. Cấu trúc mạng cảm biến ZigBee
1.4.1. Tổng quan
Trong truyền thông, khi thực hiện một giao thức, ngƣời ta thƣờng dựa trên
một mô hình kiến trúc chuẩn. Bất kỳ một giao thức truyền thông nào đều có thể qui
chiếu tới một lớp nào đó trong mô hình của kiến trúc tƣơng ứng. Trong truyền
thông ta đã biết đến mô hình qui chiếu OSI 7 lớp.
Trong mạng ZigBee, ngƣời ta cũng định nghĩa một kiến trúc giao tiếp, đó là

kiến trúc ZigBee. Có thể hiểu kiến trúc này cũng tƣơng tự nhƣ kiến trúc OSI 7 lớp
trong truyền thông công nghiệp.

Hình 1.3 : Kiến trúc OSI và kiến trúc ZigBee
10

1.4.2. Kiến trúc cụ thể của mạng ZigBee


Hình 1.4 : Kiến trúc lớp (hay ngăn xếp - Stack) trong kiến trúc ZigBee
Mạng ZigBee đƣợc xây dựng ở trên của hai lớp MAC (Medium Access
Control) và lớp vật lý (PHY). Lớp MAC và lớp PHY đƣợc định nghĩa theo chuẩn
IEEE 802.15.4 dành cho các ứng dụng WPAN (PAN không dây) tốc độ thấp. Hai
tầng đƣợc đặc tả bởi ZigBee đó là: Tầng Mạng (Network Layer – NL) và Tầng Ứng
Dụng (Application Layer – AL).
Tầng mạng chịu trách nhiệm trong việc phân phối gói tin, quảng bá mạng.
Dựa trên chức năng thì ta có thể chia tầng mạng thành 2 phần đó là Thực thể quản
lý tầng mạng - Network Layer Management Entity - NLME và Thực thể dữ liệu
tầng mạng ( - Network Layer Data Entity – NLDE). NLDE sẽ cung cấp cơ chế cần
thiết để chuyển đổi dữ liệu. Mặt khác NLME giám sát, quản lý các vấn đề đƣợc
NLDE cung cấp và các cơ chế trong tầng mạng ví dụ nhƣ giám sát việc định
tuyến…
ZigBee Device Object (ZDO) và ZigBee Application Profile (ZAP), đƣợc
xây dựng trên tầng ứng dụng. ZAP phù hợp với các thông điệp, định dạng thông
11

điệp và quá trình thực thi, nó sẽ cung cấp, đảm bảo sự tƣơng thích giữa các thiết bị.
Một thiết bị ZigBee sẽ đƣợc khởi tạo bằng cách sử dụng chức năng cơ bản của
ZDO, hơn thế nữa các chức năng quản lý cũng đƣợc thực thi bởi các ZDO.

Hình 1.2: Mô hình tầng ZigBee đơn giản
Hình 1.5 cho ta cái nhìn tổng quan về mô hình tầng ZigBee. Nó mô tả liên
kết giữa ZDO – ZAP cũng nhƣ giữa NLME – NLDE. Hơn thế nữa, bằng cách sử
dụng mô hình đƣợc định nghĩa bởi tầng mạng và tầng ứng dụng, hai tầng trong
ZigBee đã có thể trao đổi thông tin với nhau.
1.4.3. Mô hình mạng ZigBee
Trong truyền thông dùng mạng ZigBee thƣờng hỗ trợ 3 mô hình mạng chính:
mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lƣới.

Hình 1.6: Các mô hình mạng trong ZigBee
Trong lớp mạng ZigBee cho phép 3 kiểu thiết bị:
Bộ điều phối Zigbee (ZigBee Coordinator - ZC): Chỉ có duy nhất 1 ZC trong
bất kỳ mạng ZigBee nào và nó có chức năng chính là kích hoạt thông tin về mạng
thông qua cấu hình các kênh, PAN ID và hiện trạng ngăn xếp.
12

Bộ định tuyến Zigbee (ZigBee Router - ZR): Là một thành phần của hệ
thống mạng mà chức năng của nó là thực hiện việc vận chuyển các gói tin trong
mạng. Nó thực hiện các bảng kết nối cũng nhƣ định vị địa chỉ cho các ZED của nó.
Thiết bị cuối Zigbee (ZigBee End Device - ZED): Là một thành phần của hệ
thống mạng nhƣng không tham gia vào quá trình vận chuyển tin. Nó có đƣợc tối ƣu
sao cho công suất tiêu thụ là nhỏ nhất nhờ các chế độ bắt tín hiệu và kỹ thuật “ngủ”
("sleep").
Quá trình thiết lập trong một mạng ZigBee nhƣ sau:
- Quét mạng (Network Scan): Các thiết bị trong mạng sẽ quét các kênh tín
hiệu, ví dụ nếu dùng dải tần 2,4GHz thì sẽ có 16 kênh để quét, sau đó thiết bị sẽ
chọn kênh phù hợp nhất để giao tiếp trong mạng. Ta gọi đó là sự chiếm chỗ
(ocupacy).
- Thiết lập/Gia nhập mạng: Thiết bị có thể tạo ra một mạng trên một kênh
hoặc gia nhập vào một mạng đã tồn tại sẵn.

- Phát hiện thiết bị: Thiết bị sẽ yêu cầu mạng phát hiện ra địa chỉ của mình
trên các kênh đƣợc kích hoạt.
- Phát hiện dịch vụ: Thiết bị quét các dịch vụ đƣợc hỗ trợ trên thiết bị trong
phạm vi mạng.
- Liên kết: Thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các lệnh và các tin nhắn
điều khiển.
1.4.4. Một số ứng dụng của mạng cảm biến ZigBee
Nhƣ đã nói ở trên: Mạng ZigBee rất phù hợp với những ứng dụng yêu cầu
giá thành thấp, tiêu thụ năng lƣợng nhỏ và tính linh động tốt. Vì vậy ngày nay
ZigBee đƣợc dùng vào rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống nhƣ: Các hệ chiếu sáng
thông minh, HVAC, Công nghiệp, cảm biến không dây, bệnh viện Có thể thấy
trên hình dƣới:
13


Hình 1.7: Các ứng dụng trong mạng cảm biến ZigBee
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất và bán các IC cũng nhƣ các Module hỗ
trợ truyền nhận bằng ZigBee. Có thể giới thiệu một số sản phẩm phổ biến nhƣ sau :
Bảng 1.3: Nhà cung cấp ZigBee


MC13202 của Freescale
MRF24J40 của MICROCHIP


CC2400 của Texas Instrumen
Kít ZAXM-201 của NEC
14

Chƣơng 2 – THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

2.1. Tổng quan định tuyến
2.1.1. Khái niệm
Trong ngành mạng máy tính, định tuyến (tiếng Anh: routing hay routeing)
là quá trình chọn lựa các đƣờng đi trên một mạng máy tính để gửi dữ liệu qua đó.
Việc định tuyến đƣợc thực hiện cho nhiều loại mạng, trong đó có mạng điện thoại,
liên mạng, Internet, mạng giao thông.
Định tuyến chỉ ra hƣớng, sự di chuyển của các gói (dữ liệu) đƣợc đánh địa
chỉ từ điểm nguồn của chúng, hƣớng đến đích cuối thông qua các node trung gian;
thiết bị phần cứng chuyên dùng đƣợc gọi là router (bộ định tuyến). Tiến trình định
tuyến thƣờng chỉ hƣớng đi dựa vào bảng định tuyến, đó là bảng chứa những lộ trình
tốt nhất đến các đích khác nhau trên mạng. Vì vậy việc xây dựng bảng định tuyến,
đƣợc tổ chức trong bộ nhớ của router, trở nên vô cùng quan trọng cho việc định
tuyến hiệu quả.
Các mạng nhỏ có thể có các bảng định tuyến đƣợc cấu hình thủ công, còn
những mạng lớn hơn có topo mạng phức tạp và thay đổi liên tục thì xây dựng thủ
công các bảng định tuyến là vô cùng khó khăn. Tuy nhiên, hầu hết mạng điện thoại
chuyển mạch chung (public switched telephone network - PSTN) sử dụng bảng
định tuyến đƣợc tính toán trƣớc, với những tuyến dự trữ nếu các lộ trình trực tiếp
đều bị nghẽn. Định tuyến động (dynamic routing) cố gắng giải quyết vấn đề này
bằng việc xây dựng bảng định tuyến một cách tự động, dựa vào những thông tin
đƣợc giao thức định tuyến cung cấp, và cho phép mạng hành động gần nhƣ tự trị
trong việc ngăn chặn mạng bị lỗi và nghẽn.
Định tuyến động chiếm ƣu thế trên Internet. Tuy nhiên, việc cấu hình các
giao thức định tuyến động thƣờng đòi hỏi nhiều kinh nghiệm cho nên tốt nhất vẫn là
nên kết hợp giữa định tuyến thủ công và tự động.