Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển thông minh sử dụng giao thức multicast 6lowpan ipv6

 
 

ĐẠI HỌ
ĐẠI
HỌC QUỐ
QUỐC GIA TP.HỒ
TP.HỒ CH
 CHÍÍ MINH
MIN H 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆ N –  ĐIỆ N TỬ  
BỘ MÔN ĐIỆN
ĐIỆN TỬ  
---------------o0o---------------  

LUẬN
LU
ẬN VĂN TỐT
TỐT NGHIỆP
NGHIỆP ĐẠI
ĐẠI HỌC

Xây dự 
dự ng
ng hệ th
 thốống giám sát và điều
khiển thông minh
điều khiể
sử  dụ
 dụng giao thứ 

thứ c Multicast
Multica st 6LoWPAN/IPv6 
GVHD: TS. Võ Quế
Quế Sơn
Sơn  
SVTH: Văn Đình Triều
Triều
Trần
Tr
ần Thanh Đăng
Đ ăng Khoa
Khoa  
MSSV: 1414177
1411856

TP. HỒ
HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2019
2019


 

Đại H ọc Quốc Gia Tp.HCM
CỘ NG HÒA XÃ HỘI CHỦ  NGHĨA
NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lậ p  –  T
 Tự  Do  –  H
 Hạnh Phúc
--------------------------------------Số: _____/ BKDT

NHIỆM VỤ  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐIỆN  –  ĐI
ĐIỆ
ỆN TỬ  
VIỄN THƠNG
Văn Đình Triều
MSSV : 1414177
Tr ần
ần Thanh Đăng Khoa 
MSS
MSSV
V : 141
1411856
1856
 NGÀNH
 NGÀ
NH
: Viễn thông
Lớ  p : V
Viiễn thông VP2014
1. Đầu đề l uận án: Xây dựng hệ  thống giám sát và điều khiển thông minh s ử dụng giao
thức Multicast 6LoWPAN/IPv6.
2. Nhi ệm vụ ( yêu c ầu về  nội dung và s ố liệu ban đầu )
KHOA
:
BỘ  MÔN
:
HỌ  VÀ TÊN :

- 

 Ngh
 Nghiên
iên Network),
cứu về  khái
niệIpv6
m, tính
chất của mCác
cảảmi thu
biếậnt multicast
khơng dây
ạng gi
Sensor
mạng
và 6LowPAN.
TM,(Wireless
SMRF,
ESMRF.
-   Ngh
 Nghiên
iên c ứu sử dụng và thực hành nền tảng Contiki OS, công c ụ mô phỏng Cooja
cũng như phần c ứng CC2538dk.
-  Tiến hành mô phỏng bằng công c ụ Cooja các gi ải thuật Multicast và so sánh các
thơng s ố: Tỉ  lệ nhận gói, độ tr ễ mạng và năng lượ ng
ng tiêu thụ.
-  Xây dựng ứng dụng thực ti ễn xoay quay phần cứng CC2538dk
CC2538 dk sử dụng một trong
các giải thuật Multicast đã nghiên cứu.
tro ng thực tế. Đánh giá tính

t ính khả thi và hi ệu năng của hệ thống.
-  Vận hành hệ thống trong
3. Ngày giao nhi ệm vụ  l uận án: 1/1/2019
4. Ngày hoàn thành nhi ệm vụ: 21/6/2019
5. Họ  tên người
người hướ ng
ng dẫn:  TS. Võ Quế  Sơn
 Nội dung và yêu c ầu LAT
LATN đã đượ 
đư ợ c thông qua bộ môn.
 Ngày 11 thán
 Ngày
thángg 5 năm 201 9
CHỦ  NHIỆM BỘ  MƠN

PGS.TS. Hà Hồng Kha

GIÁO VIÊN
HƯỚ NG DẪ N

TS. Võ Quế  Sơn 


 

 

PHẦN DÀNH CHO KHOA, B Ộ MÔN:
 Ngườ 
 Ngư

ờ i duyệt (chấm sơ bộ):.......................
Đơn vị:....
:.......
.......
...............................................
...........................................
 Ngàyy bảo vệ  : ...........................................
 Ngà
Điểm t ổng k ết: .........................................

1


 

 

 ẢM ƠN  
L Ờ I C 
Trong thờ i gian thực hiện luận văn tố t nghiệp, chúng em đã nhận đượ c nhiều
sự giúp đỡ  t từ các thầy cơ, bạn bè và gia đình. 

Đầu tiên, chúng em xin bày t ỏ lịng kính tr ọng và biết ơn sâu sắc đến Th
Thầy
Võ Quế  Sơn, người đã tận tình tr ực tiếp hướ ng
ng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho
chúng em thực hiện luận văn này. 
Trong suốt quá trình thực hi ện luận văn, chúng em
e m đã làm việ
việ c tại phịng thí

nghiệm Thơng Tin c ủa bộ mơn Viễn thông, chúng em xin c ảm ơn các anh chị cán
 bộ  phịng thí nghiệm đã hỗ  tr ợ 
ợ  trang
trang thiết bị  vật tư để chún
chúngg em có thể làm luận

văn tại đây. 
Bên c ạnh đó, chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầ y cô bộ môn
Viễn thông, cũng như quý thầy cô tham gia giảng dạy trong chương trình Kĩ sư
Chất lượ ng
ng cao Việt Pháp  –   PFIEV đã cho chúng em những kiến thức nền tảng,
kiến thức chuyên
chuyê n ngành cũng như những kinh nghi ệm quý báu để  chún
 chúngg em có thể 

ứng dụng vào trong học tậ p và
và ngh
nghiên
iên c ứu sau này.
Một lần nữa chúng em xin chân thành c ảm ơn! 

Trân trọng,
Sinh viên
Tr ần
ần Thanh Đăng Khoa 

Văn Đình Triều

i

 

 

MỤC LỤC

Chương 1  Giới thiệu đề tài  .........................................................................................
........................................ .........................................................
........ 1
1.1 Tổ ng quan về  đề  tài ........................................................................................................... 1
1.2 Nhiệm vụ luận văn............................................................................................................. 2
1.3 Nội dung lu ận văn ............................................................................................................. 3
Chương 2  Các khái niệm chung ........................................................................................ 4
2.1 Mạng cảm biến không dây - WSN .................................................................................. 4
2.1.1 Tổ ng quan về  mạng cảm biế n không
khô ng dâ
dâyy ......
.............
..............
.............
..............
...............
..............
.............
.............
...........
.... 4
2.1.2 Cấu trúc m ạng c ảm biế n không dây .......................................................................... 4
2.1.3 Kiến trúc

trúc và gia
giaoo tthhức c ủa m ạng c ảm biến khô
không
ng dâ
dâyy ......
.............
..............
.............
..............
...............
........... 5
2.1.4 Ứ ng
ng dụng c ủa m ạng c ảm biến không
khô ng dâ
dây............
y...................
.............
..............
...............
.............
.............
..............
............
..... 6
2.2 IPv6 ..................................................................................................................................... 7
2.2.1 Tổ ng quan về  IPv6 ....................................................................................................... 7
đ ịa chỉ IPv6 .................................................................................................... 9
2.2.2 Các lo ại đị
2.3 6LoWPAN .......................................................................................................................... 9
2.3.1 Tổ ng quan ..................................................................................................................... 9

2.3.2 Cá
Cácc đđặặc tính c ủa 6 LoWP AN: .............
....................
..............
..............
..............
..............
..............
.............
..............
...............
..............
.......10
2.3.3 Kiến trúc c ủa m ạng 6LoWP
6Lo WPAN
AN .......
..............
..............
.............
..............
...............
..............
.............
.............
...............
..............
.........
...1100
2.3.4 Quá trình thiết lậ p và vận hành 6LoWP
6Lo WPAN............

AN...................
..............
...............
..............
.............
..............
.............
......11
2.4 Conti
Co ntinki
nki OS ..........................................
.........................................................................................
............................................................................
............................. 12
2.4.1 Tổ ng quan
qu an .............................................................................
...................................................................................................................
...................................... 12
2.4.2 Giao thức M AC trong
tr ong Contiki
Co ntiki OS ........
...............
.............
.............
...............
..............
.............
..............
..............
..............

............
.....12
2.5 Giao
Giao tthhức định tuyế n RPL
RP L .......................................
......................................................................................
.......................................................
........ 14
2.5.1 Tổ ng quan
qu an .............................................................................
...................................................................................................................
...................................... 14
2.5.2 Quá trình xây dựng k ết nối m ạng............................................................................. 15
2.5.3 Các chế độ  đị nh tuyến trong giao thức RPL ..............
....................
.............
...............
..............
.............
..............
...........
....17

Chương 3  Cá
Cácc gi
giải
ải thuật
thuật multi
multicast
cast................................................................................. 19

3.1 Thuật toán Trickle ........................................................................................................... 19
3.1.1 Tổ ng quan
qu an .............................................................................
...................................................................................................................
...................................... 19
3.1.2 Cá
Cácc tham số và biế n .............................................................................................
.............................................. .....................................................
...... 19
3.1.3 Mô tả ho ạt động.......................................................................................................... 20
3.2 MPL/TM ........................................................................................................................... 21
ii


 

 

3.2.1 Nội dung gi ải thuật..................................................................................................... 21
3.2.2 Đánh giá giải thuật ..................................................................................................... 23
3.3 Stateless multicast RPL for
fo r wa
warding
rding –   SMR
SMRF
F .............
....................
..............
..............
..............

..............
..............
.............
........24
24
3.3.1 Nội dung gi ải thuật..................................................................................................... 24
3.3.2 Đánh giá gi ải thuật ..................................................................................................... 26
3.4 Enhanced Stateless multicast RPL for warding –   ESMR
ESMRF
F .............
....................
.............
..............
...............
.......27
3.4.1 Nội dung gi ải thuật..................................................................................................... 27
3.4.2 Đánh giá giải thuật ..................................................................................................... 29

Chương 4  Mô phỏng
phỏng so sánh
sá nh cá
cácc gi
giải
ải thuật
thuật multi
multicast
cast ............................................... 30
4.1 Mục tiêu mô phỏ ng.......................................................................................................... 30
4.2 Công cụ mô phỏ ng –  Cooja
 Cooja ............................................................................................ 30

4.3 Thiết k ế hệ t thhống mô phỏng........................................................................................... 31
4.3.1 Cà
Càii đặ
đ ặt m ạng ............................................................................................................... 31
4.3.2 Thiết k ế các sơ đồ mạng............................................................................................ 33
4.4 K ết quả mơ phỏng và ph
phân
ân tíc
tíchh .............
....................
.............
..............
...............
..............
.............
.............
...............
..............
.............
..........
... 35
4.4.1 K ết quả mơ phỏng ...................................................................................................... 35
4.4.2 Phân tích số liệu ......................................................................................................... 37
4.4.2 K ết lu ận và khuyến nghị............................................................................................ 44

Chương 5  Th
Thii ết kế h
hệệ thốn
t hốngg gi ám sát và đi
điều

ều kh
khii ển ...................................................
................................................. 46
5.1 Tổ ng quan
qu an .............................................
............................................................................................
............................................................................
............................. 46
5.1.1 Yêu c ầu và mục tiêu .................................................................................................. 46
5.1.2 Sơ  đồ  tổng quan c ủa hệ t thhống .................................................................................. 47
5.2 Thiết k ế phần c ứng .......................................................................................................... 48
5.2.1 Sơ đồ khối tổng quan c ủa ph ần c ứng....................................................................... 48
5.2.2 Chi tiết ph ần cứ ng ...................................................................................................... 49
5.2.3 Thiết k ế khối sink node –  relay
 relay –  ngu
 nguồn ................................................................. 55
5.3 Thiết k ế firmware ............................................................................................................ 56
5.3.1 Đề xuất framwork ...................................................................................................... 56
5.3.2 Cấu hình projec
proj ectt-co
conf.h
nf.h .............
....................
.............
..............
...............
.............
.............
..............
...............

..............
.............
..............
...........
.... 58
5.3.3
5.3
.3 Firm
Firmware
ware cho Roo
Roott node ......
.............
..............
..............
..............
..............
..............
..............
.............
..............
...............
.............
.............
........... 59
5.3.4
5.3
.4 Firm
Firmware
ware cho sink
sin k node .............

....................
.............
..............
...............
..............
.............
.............
...............
...............
.............
.............
..........
... 63

iii


 

 

5.4 Thiết k ế phần mềm .......................................................................................................... 66
5.4.1 Thiết k ế Server ........................................................................................................... 68
5.4.2 Thiết k ế gate
 gatewa
wayy gi ữa 6Lo
6LoWP
WPAN
AN và Inte
Internet

rnet ..................
........................
.............
...............
...............
.............
.........
... 69
5.4.3 Thiết k ế giao di ện điều khiển qua s mart
martpho
phone
ne ((Android)
Android) .......
..............
.............
.............
...............
.......... 72

Chương 6  Kết quả thực hiện ứng dụng  .........................................................................
......................................... ................................ 79
6.1 Sản phẩm phần cứ ng ....................................................................................................... 79
6.2 K ết quả thực hiệ n phần mề m và firm
fi rmware
ware .......
.............
.............
..............
...............
..............

.............
..............
..............
............
.....80
6.3 K ết quả range test ............................................................................................................ 82
Chương 7  Kết luận và hướng phát triển .......................................................................
................................................ ....................... 84
7.1 K ết lu ận ............................................................................................................................. 84
7.1.1 Đánh giá ...................................................................................................................... 84
7.1.2 Hạn chế ............................................................................................
........................................... ............................................................................
............................. 85
ng phát tri ển .........................................................................................
.......................................... ....................................................................
..................... 85
7.2  Hướ ng
7.2
Tài liệu
Tài
li ệu th
tham
am khảo  ...........................................................................................
............................................ ....................................................................
..................... 86
Phụ lục .........................................................................................
.......................................... .......................................................................................
............................................
.... 87
A. Q trìn

trìnhh mơ phỏng trên
trê n Contiki/
Co ntiki/Coo
Cooja
ja ......
.............
..............
.............
..............
...............
.............
.............
..............
...............
............ 87
B. Thiết k ế chương trình xử  lí dữ liệu đầu ra c ủa q trình mơ phỏ ng........
ng...............
..............
...........
....89
C. Tạo Mosqu
Mosquitto
itto Broker bằng Clou
CloudMQ
dMQTT
TT .......
.............
.............
..............
...............

..............
.............
..............
..............
............
..... 93 

iv


 
 

DANH MỤ
MỤC CÁC HÌNH 
Hình 2.1 Cấu trúc m ạng c ảm biế n khơng dây........................................................................... 5
Hình 2.2
2.2 Cá
Cácc thành
t hành phần c ủa một nút c ảm biế n ..............................................
.......................................................................
......................... 5
Hình 2.3 Ki ến trúc m ạng c ảm biến khơng dây ......................................................................... 6
Hình 2.4 Th ực tr ạng
ạng địa chỉ IPv4 hi ện nay ............................................................................... 8
Hình 2.5 Ki ến trúc m ạng 6 Low
Lo wP AN ..............
....................
.............
...............

...............
.............
.............
..............
..............
..............
..............
............
.....10
Hình 2.6 Ki ến trúc m ạng 6 LoWP AN...................
N..........................
...............
...............
.............
.............
..............
...............
..............
.............
............
.....11
Hình 2.7 Cơ chế  hoạt động của Conti
Contiki
kiM
M AC..................
AC.........................
...............
..............
.............
..............

.............
..............
..............
......1133
Hình 2.8
2.8 Con
ContikiMAC
tikiMAC với trườ ng
ng hợ  p g ửi bro
broadcast
adcast .......
.............
.............
..............
...............
..............
.............
..............
............
.....13
Hình 2.9 Mơ hì
hình
nh DODAG
DOD AG ........
...............
.............
.............
...............
...............
.............

.............
..............
..............
..............
..............
..............
..............
............
.....15
Hình 2.1
2.100 RPL
RP L No
Non-s
n-sto
tori
ring
ng mo
mode
de ......
.............
..............
..............
..............
..............
..............
..............
.............
..............
...............
.............

.............
........... 17
Hình 2.1
2.111 RPL
RP L Stor
Storin
ingg mode .............
....................
.............
..............
...............
..............
.............
.............
...............
..............
.............
..............
...............
...........
...18
Hình 3.1 Thuật to
tốn
án Tric kle ..............
.....................
.............
..............
...............
.............
.............

..............
..............
..............
..............
..............
..............
............
.....21
Hình 3.2(
3.2(A
A) xử  lý gói MPL data message và (B) xử  lý
 l ý MPL contr
control
ol message ......
..........
.......
.......
....22
Hình 3.3 Gi ải thuật SM
SMR
R F .........................................................................................
.......................................... .............................................................
.............. 26
Hình 3.4 Gói titinn ICMP v6 "Multi
"M ulticast
cast-o
-on-be
n-behalf
half"" .......
..............

.............
.............
...............
...............
.............
.............
..............
...........
....28
Hình 3.5 Quá trình gửi "Multicast-on-behalf" của ESMR
ESMRF............
F..................
.............
...............
..............
.............
...........
....29
Hình 4.1 Giao di ện Cooja
Coo ja simulator
sim ulator .......
..............
.............
.............
...............
...............
.............
.............
..............
..............

..............
..............
............
.....31
Hình 4.2 Forw
For ward
ar d strai
st raight-l
ght-line
ine to
topolo
pology
gy ...............
.....................
.............
...............
...............
.............
.............
..............
..............
..............
...........
....33
Hình 4.3 Backward
Back ward straight
str aight-li
-line
ne ttopo
opolo

logy
gy .............
....................
.............
..............
...............
.............
.............
..............
...............
..............
.........
... 34
Hình 4.4 Random
Rando m to
topolo
pology
gy ..............
....................
.............
...............
..............
.............
..............
..............
..............
..............
..............
..............
..............

.............
......34
Hình 4.5 Đầu ra của tool x ử lý dữ liệu lo
loglis
gliste
tener.t
ner.txt
xt .......
..............
.............
.............
...............
..............
.............
..............
...........
....35
Hình 4.6
4.6 Quá trình kkhhở i t ạo c ủa root ....................................................................................... 36
Hình 4.7
4.7 Quá trình kkhhở i t ạo c ủa sink ....................................................................................... 36
Hình 4.8 Q trình gửi và nhận gói
gó i .............................................
..........................................................................................
............................................. 36
Hình 4.9
4.9 Giám sát
sát năng lượ ng
ng tiêu thụ .....................................................................................
............................................. ...................................... 37

Hình 4.10 PDR trong forward straight-line topology ............................................................ 38
 t rung bìn
bìnhh tron
tr ongg for
fo r ward strai
straigh
ghtt-line
line topol
topology
ogy...
......
.......
.......
.......
.......
......
.......
.......
.......
........
...... 39
Hình 4.11 Đỗ tr ễ trung
Hình 4.12
4.12 Năng
N ăng lượ ng
ng tiêu th ụ tro
trong
ng ffor
orward
ward straig

straight-li
ht-line
ne topol
topology
ogy .......
......
.......
.......
.......
.......
......
.......
........
...... 40
Hình 4.13
4.13 Tỉ lệ nh
 n hận gói tro
trong
ng backward
bac kward straig
straight-li
ht-line
ne topolo
topology
gy .....
........
.......
.......
.......
.......

......
.......
........
.......
.......
...... 41
Hình 4.14 Độ tr ễ trung
 t rung bình ttron
rongg backward
backwar d str
straight-l
aight-line
ine ttopolo
opology
gy ......
..........
.......
......
.......
.......
......
.......
........
....42
Hình 4.15
4.15 Năng
N ăng lượ ng
ng tiêu th ụ tro
trong
ng backward

backwar d sstrai
traight-line
ght-line topol
topology
ogy...
.......
.......
......
.......
.......
......
.......
.......
..... 42
Hình 4.16
4.16 Các
C ác đại lượ ng
ng quan sát trong random topology ................................................... 43
Hình 5.1 Sơ đồ khối tổng quát c ủa hệ th
 t hống ........................................................................... 47
Hình 5.2 Sơ đồ khối tổng quát phần c ứng ...............................................................................
............................................................................. .. 48
Hình 5.3 Raspberry
Raspber ry Pi 3B+ ..............
....................
.............
...............
..............
.............
..............

..............
..............
..............
..............
..............
..............
.............
......49
Hình 5.4
5 .4 Mo dule Conti ki 6LoWP
6Lo WPAN
AN CC253
CC2 538dk
8dk ...........
..................
..............
.............
..............
...............
..............
.............
.............
.......50
Hình 5.5
5.5 Modu
Mo dule
le TTL CP2102 và sơ đồ
đ ồ nối ch
chân
ân ..............

....................
.............
...............
...............
.............
.............
..............
..........
...52
Hình 5.6
5.6 Mo
Modu
dule
le 1 relay
rela y 5V vớ i opto cách
các h l y .......
..............
..............
.............
..............
...............
.............
.............
..............
...............
............ 53

v

 

 

Hình 5.7 Module ngu
n guồ n AC-DC
AC-D C HLKHLK-PM0
PM011 .......
..............
..............
.............
..............
...............
.............
.............
..............
...............
............ 54
Hình 5.8 Sơ đồ nối m ạch khối sink no
no de-relay-nguồn .......................................................... 55
Hình 5.9
5.9 Protocol
Prot ocol stack
st ack đượ c sử dụng trong
tro ng frame
fr ame work
or k ......
.............
..............
..............

..............
..............
..............
.............
........ 56
Hình 5.10(
5.10(A
A)Chương trình chính; (B) chương trình cài đđặặt hệ thống t ại roo
roott node ....
.......
......
...60
Hình 5.11
5.11 Chương
C hương trình con xử lý lệnh tớ i ro
root
ot node
node.......
.............
.............
..............
...............
..............
.............
..............
............
.....60
Hình 5.12
5.12 Chương
C hương trình con xử lý ACK ................................................................................. 61

sinkk node .....
...........
.............
...........
....64
Hình 5.13
5.13 (A
( A) Chương trình chính; ( B) chương trình
trì nh con cà
càii đ ặt sin
Hình 5.14
5.14 Sơ đồ
đ ồ thiết k ế p
 phhần mềm ..........................................
.........................................................................................
............................................... 66
Hình 5.15 Kiến trúc mức cao MQ
MQTT
TT ........................................
.......................................................................................
............................................... 67
Hình 5.16
5.16 Sơ đồ
đ ồ giải thuật cho Rasp
Raspberr
berryy ......
.............
..............
.............
..............

...............
.............
.............
..............
...............
..............
.........
... 71
Hình 5.17
5.17 Mơ hình thiết k ế  ứng d ụng Andro
Android
id .............
....................
..............
..............
..............
..............
.............
.............
...............
.......... 73
Hình 5.18
5 .18 G
Giao
iao di ện phần mềm: (A) Các nút điều khiển; (B) Popup chọn Group multicast;
(C) Đồ thị  theo dõi nhi ệt độ các nút ......................................................................................... 74
Hình 5.19
5.19 Sơ đồ
đ ồ giải thuật M ain acti vity .......
..............

.............
.............
...............
...............
.............
.............
..............
...............
..............
..........
....75
Hình 6.1 Ph ần cứ ng khối sin
sinkk node ..............
....................
.............
...............
..............
.............
..............
..............
..............
..............
..............
.............
...... 79
Hình 6.2 Lự a chọn nhóm điều khiể n và ph ản hồi từ  root
ro ot.......
.............
.............
..............

..............
..............
..............
.............
......80
Hình 6.3
6.3 Quá trình điề u khiển................................................................................................... 81
Hình
6.4 Sơ
6.4
Thuđồt h th
diễn nhi
82 
ậ pựvà
độ ................................................................................. 83
Hình 6.5
c hibiệểnurange
testệt.........................................................................................

vi


 
 

DANH MỤ
MỤC CÁC BẢ
B ẢNG
Bảng 1 Các tham s ố mô phỏng ................................................................................................. 32
Bảng 2 Các số liệu tr ung bì

bình
nh .............................................................................................
.............................................. .....................................................
...... 44
Bảng 3 Thông s ố k ỹ thu ật mo
module
dule CC253
CC2538d
8dk.............
k...................
.............
...............
...............
.............
.............
..............
...............
...........
...51
Bảng 4 Th
Thôô ng s ố k ỹ thu ật mod
module
ule Relay
Rela y .......
..............
..............
.............
..............
...............
..............

.............
.............
...............
..............
.........
... 54
Bảng 5 Bảng thô
thô ng số k ỹ thu ật module nguồn ................................................
.......................................................................
....................... 54
Bảng 6 Quy định nội dung gói tin gửi đi  ..................................................................................
........................................ ........................................ 58
Bảng 7 Các thông s ố thiết k ế cho Cloud
CloudMQT
MQTT
T .......
.............
.............
..............
..............
..............
..............
.............
.............
...............
........68
Bảng 8 Thông s ố thiết lậ p MQTT Client
Clie nt tron
trongg ứng d ụng ..................................................... 77
Bảng 9 Thông s ố k ỹ thu ật khối sin

sinkk node .......
..............
..............
.............
..............
...............
..............
.............
.............
...............
..............
.........
... 79
Bảng 10 Thông s ố k ỹ thu ật khối ro
root
ot node .......
.............
.............
..............
..............
..............
..............
.............
.............
...............
...............
......... 80
Bảng 11 K ết qu ả thực hiện r ange te
test
st .............

....................
.............
..............
...............
.............
.............
..............
...............
..............
.............
...........
.... 83

vii


 
 

DANH MỤ
MỤC CH
CHỮ 
Ữ   VI
VIẾ
ẾT TẮT
6LoWP AN
6LoWPA
LoWPAN
IoT

IPv6
IPv6 ov
over
er Low Power Wireless
Wirel ess Area Network
Low Po
Pow
wer Wirel
Wireless
ess Personal
Per sonal Area Network
Network
Internet
Interne t of Thing

RFC
IEEE
IEE
E
ACK
DAG
DA
G
DAO
DA
O
DIO
DIS
GPIO
IoT

Request for Comments
In
Instit
stitute
ute of Electrical
Elect rical an
andd Elect
Electronics
ronics Eng
Engineer
ineerss
Acknowledgement
Directed
Direc ted Acyclic Graph
Graph
Destina
Desti nation
tion Adv
dvert
ertisment
isment Object  
DAG
DAG In
Infor
formation
mation Object
DAG
DAG In
Infor

formation
mation Solicitation
Solic itation
General Purpose Input
Input Outp
Output
ut
Internet
Interne t of Things

LNN
MPL
PC
PDR
RDC
ROLL
RPL
SoC
TCC

Low Po
Pow
wer and Lossy
Loss y Network
Multicast Protoc
Pro tocol
ol for Low Po
Pow
wer an
andd Lossy Network

Pow
Po wer Consump
Consumption
tion
Package
Package Delivery Ra
Rate
te
Radio Duty Cycling
Routing
Routi ng Ov
Over
er Low Po
Pow
wer and Lossy
Los sy Networ
Networkk
Ip
Ipvv6 Routing Protoc
Pro tocol
ol For Low Power an
andd Lossy Network
System on Chip
Trickle
ric kle Consequence Check

UART
UA
RT

Univ
Univer
ersal
sal Asychro
sychronous
nous Rece
Receiver
iver Transmit
ransmitter
ter

viii


 

Chương 1: Giớ i thiệu đề tài

CHƯƠNG 1  GI
Ớ I THIỆU
ĐỀ TÀI
GIỚ 
THIỆU ĐỀ TÀI
1.1   Tổng quan
quan về đề
đề tài
 tài

Trong lĩnh vực Internet k ết nối vạn vật (IoT), mạng không dây công suất th
t hấ p

LoWPAN (Low Power Wireless Personal Area Network) là m ột trong những môi
trườ ng
ng quan tr ọng, có nhiều ứng dụng và triển khai thực tế. LoWP
LoWPA
AN là một mạng
cho phép
phép các ứng dụng, dịch vụ  hoạt động thông qua k ết nối không dây vớ i công
suất và băng thông hạn chế. Mạng LoWPAN thườ ng
ng bao gồm các thiết bị phù hợ  p
vớ i tiêu chu
chuẩn IEEE 802.15.4, chúng có các đặc điểm như : sử dụng sóng ngắn, tốc

độ  thấ p, công
c ông suất thấ p và giá tthà
hành
nh thấ p, hạn chế về  năng lực tính tốn, bộ nhớ…
Các giao thức phổ biến hiện đang đượ c s ử dụng để k ết nối, trao đổi thông tin giữa
các thiết bị trong môi trườ ng
ng này là Z-Wave, ZigBee... Tuy nhiên các giao thức này
gặ p phải một s ố vấn đề hạn chế  như: triển khai cấu hình phức tạ p, khả  năng mở  
r ộng hạn chế, chưa có các cơ chế   đảm bảo an tồn an ninh, chưa đượ c chuẩn hóa,
khó k hăn
hăn khi kết nối Internet.
Một k ỹ  thuật xuất hiện trong những năm gần đây và gây đượ c nhiều sự chú ý

đó  là sử dụng giao thức IPv6 trong mạng không dây công suất thấ p - 6LoWP
6LoWPA
AN (
viết tắt c ủa IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks). Đây là giao
thức mạng cho phép truyền tải các gói tin IPv6 thơng qua giao thức vơ tuyến IEEE

802.15.4 (giao
(giao thức hỗ tr ợ 
ợ gói tin
ti n có kích tthướ 
hướ c nhỏ  hơn, cho phép các thiế t bị trong

mơi trườ ng
ng hạn chế s ử dụng nguồn tài nguyên thấp như: bộ nhớ , CPU, cơng suất,
 băng
 bă
ng tần… có thể  giao tiế p vớ i nhau). Các giao thức trong 6LoWPAN đã đượ c
chuẩn hoá trong các tiêu chuẩn RFC 4944, RFC 6282 và RFC 6775. Do đã đượ c
chuẩn hoá nên các thiết bị  6LoWPAN dễ  dàng k ết nối và
và giao tiế p vớ i nhau hơn,

đây là giao thức được đánh giá thực sự phù hợ  p cho IoT
IoT..
Trong 6LoWPAN, yếu tố ti
 t iết kiệm năng lượ ng,
ng, tiết ki ệm băng thơng  ln

được quan
quan tâm hàng
hàng đầu, do đó các giao
giao thức để
đ ể tối ưu băng thông, giảm tiêu thụ 
ng
năng lượng đượ c áp dụng nhiều trong 6LoWPAN. Giao thức phát đa hướ ng
1

 

Chương 1: Giớ i thiệu đề tài

(Multicast) là một trong những giao thức để giảm thiểu băng thông, giảm thiểu s ự 
truyền tải các gói tin giữa các nút c ảm biến vớ i nhau, khi mà một nút muốn gửi gói

tin đến nhiều nút khác cùng một lúc, nó khơng c ần phải gửi t ừng gói đến mỗi nút
nút
(Unicast) mà chỉ c ần gửi m ột gói tin Multicast là đủ. Điề u này giúp giảm đáng kể 
gói tin truyền đi, nhất là đố i vớ i một mạng lướ i ch
c hứa hàng trăm nút cảm biến. Có 3
giải thuật Multicast trong 6LoWPAN, đó là Trickle Multicast, Stateless Multicast
RPL Forwa
Forwarding
rding (SMRF) và
và Enhanced
Enhanced Stateless Multicast RPL Forwardi
Forwarding
ng
(ESMRF).

1.2   Nhi
ận văn 
văn 
Nhiệệm vụ
vụ lu
 luận
Trong phạm vi của đề tài, các

c ác nội dung nghiên c ứu c ủa luận văn sẽ tậ p trung
vào ba giải thuật multicast hiện có là TM, SMRF và ESMRF. Nghiên c ứu về  các
lý thuyết và công c ụ  liên quan như Wireless Sensor Network, Contiki OS ,
6l
6lowPAN/Ip
owPAN/Ipvv6, kit phá
phátt tri
tr iển CC2538dk....T
CC253 8dk....Tìm
ìm hiểu chi tiết về  các giải thuật
mulicast. Tiế p theo, tthhực hiện mô phỏng c ả ba giải thuật multicast trên phần mềm
 bằng công cụ mô phỏng để đánh giá các giải thuật. Sau đó so sánh  hiệu năng của
chúng dựa vào các thơng s ố có đượ c từ mơ phỏng. Cuối cùng là lựa chọn một trong

sánh, đề  xuất một ứng dụng
 ba giải thuật muticast dựa vào k ết quả  của mô phỏng so sánh,
giám sát và điề u khiển thông minh ứng dụng vào thực t ế trê
trênn kit CC2538dk.
CC2538 dk.
Tóm lại, nhiệm vụ  luận văn  bao gồm:
-   Ngh
 Nghiên
iên cứu lý thuyết về  mạng cảm biến không dây (WSN), mạng Ipv6 và

6lowPAN. Thực hành s ử dụng Contiki OS, công c ụ mô phỏng Cooja, kit phát
ti ển CC253
CC2538dk
8dk
 Nghiên
iên c ứu và đánh giá ba giải thuật multicast trong mạng 6lowPAN/Ipv6 hiện

-   Ngh
có là TM, SMRF và ESMRF.
-  Mô phỏng, so sánh các gi ải thuật multicast bằng công c ụ phần mề m thông qua

các thông s ố: tỉ lệ nhận gói, độ tr ễ mạng và năng lượ ng
ng tiêu thụ.

2


 

Chương 1: Giớ i thiệu đề tài
-  Xây dụng ứng dụng thực tiễ n trên phần cứng CC2538dk, s ử  dụng một trong

các giải thuật multicast đã ngh
nghiên
iên cứu. Vận hành hệ thống trong
tro ng thực t ế để  đánh
giá tính khả thi và hi ệu năng của hệ th
 t hống.

1.3   Nội dung luận
luận văn 
văn 
Các nội dung đượ c trình bày trong báo cáo bao gồm:
-  Chương 1: Giớ i thiệu tổng quát về   luận văn và nhiệm vụ.

Các khái niệm chung về mạng cảm bi
biến không dây, IPv6, 6LoWPAN.

-  Chương 2: Các
-  Chương 3: Trình bày các gi ải thuật multicast trong 6LoWPAN/IPv6.

đ ưa ra khu
khuyế
yế n
-  Chương 4: Mô phỏng các giải thuật bằng công cụ  Cooja, so sánh, đưa
nghị.
-  Chương 5: Thiế t k ế  ứng dụng thực tế sử dụng một trong ba gi ải thuật multicast.
-  Chương 6: K ết quả  thực hiện thiết k ế  ứng dụng từ  chương 5. 

l uận và hướ ng
ng phát tiển
-  Chương 7: Kết lu

3


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

CHƯƠNG 2  CÁC KHÁI NIỆ
NIỆM CHUNG
Trong chương này, nhóm giớ i thiệu một s ố  khái niệm liên quan đến đề  tài
luận văn, đó là về M ạng c ảm biến không dây (Wireless Sensor Network), đặc điểm
c ủa địa chỉ IPv6, giớ i thiệu về  những giao thức, tiêu chuẩn trong 6LoWPAN, các
giao thức MAC trong ContikiOS và giao thức định tuyến RPL.

2.1   Mạng c ảm bi ến không dây - WSN

2.1.1   Tổng quan về  mạng c ảm bi ến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là m ột tậ p hợ  p các
thiết bị s ử dụng các liên k ết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để 
 phối hợ  p thực hiện nhiệm vụ thu thậ p dữ liệu vớ i phạm vi lớ n trong bất kì điề u ki
kiện

mơi trường và đị a lí nào. Các nút c ảm biến khơng dây có thể  đượ c triển khai cho
các mục đích chuyên dụng như điề u khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trườ ng;
ng;
tạo ra không gian s ống thơng minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệ p;

trong lĩnh vực y tế. Lợ i thế ch
 c hủ yếu c ủa chúng là khả  năng triển khai hầu như trong
 bất kì loại hình địa lý nào k ể cả các mơi trườ ng
ng nguy hiểm khơng thể sử dụng mạng
c ảm biến có dây truyền thống.

2.1.2   Cấu trúc mạng c ảm bi ến không dây
Một mạng cảm biến không dây bao gồm s ố lượ ng
ng l ớn các nút đượ c triển khai
dày đặc bên trong ho ặc ở  r 
 r ất gần đối tượ ng
ng cần thăm dò, thu thậ p thơng ttin
in dữ li ệu.
Vị  trí các c ảm biến khơng c ần định trướ c vì vậy nó cho phép tri ển khai ngẫu nhiên
trong các vùng không thể  tiế p c ận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả  năng tự  tổ 
chức mạng và c ộng tác làm vi ệc c ủa các c ảm biến không dây là những đặc trưng

ất cơ bản của mạng này.
r ất

4


  

Chương 2: Các khái niệ m chung

Clients

Gateway
Sensor Node

 

Hình 2.1 Cấ
Cấu trúc mạ
mạng cảm bi
biế n khơng dây

Hình 1.1 mơ t ả cấu trúc mạng cảm biến không dây, các nút c ảm biến (sensor

node) đượ c thiết lậ p trong
tro ng một trườ ng
ng c ảm biến. M ỗi nút c ảm biến bao gồm bốn
thành phần cơ bản là: bộ  cảm biến (Sensing unit), bộ  xử lý (Processing unit), bộ 
thu phát không dây (Tranceiver) và nguồn điện (Power generator). Tuỳ  theo ứng
dụng cụ thể, nút c ảm biến cịn có thể có các thành phần bổ  sung như hệ thống tìm
vị trí, bộ  sinh năng lượ ng
ng và thiết bị  di động.

Hình 2.2 Các thành phầ
phần của một nút cả
cảm bi
biế n[2]

2.1.3   Ki ến trúc và giao thứ c của mạng c ảm bi ến không dây
Kiến trúc giao thức đượ c sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất c ả các nút
c ảm biến đượ c thể  hiện trên hình 1.3. Ki ến trúc giao thức này phối hợ  p các tính
tốn về  đị nh tuyến và năng lượ ng,
ng, k ết hợ  p số liệu vớ i các giao thức mạng, truyền
tin vớ i hiệu quả  về  năng lượ ng thông qua môi trường không dây và tăng cườ ng
ng s ự 
5


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

hợ  p tác giữa các nút c ảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm l ớ p ứ ng
ng dụng  
(Application Layer), l ớ p giao
gi ao vận (Transport Layer), l ớ p mạng (Network Layer),

l ớ p liên
li ên k ết dữ   ll i ệu (Datalink Layer), l ớ p vật l ý (Physical Lay
Layer)
er).. Ngồi ra cịn có
các lớp chéo (Cross layer) đè lên năm lớ  p trên: mặt phẳng quản lý năng lượ ng

ng 
(Power Management Plane), mặt phẳng quản lý di động (Mobility Management
Plane) và mặt phẳng quản lý nhi ệm vụ  (Task Management Plane). 

Hình 2.3 Kiế
Kiế n trúc mạ
mạng cảm biế
biế n không dây[3]

2.1.4   Ứ ng
ng dụng c ủa mạng cảm bi ến không dây
a.  Gi
Giám
ám sát vvàà điề
đi ều khi ển công nghi ệp
ng nhiễu lớ n,
n,
Đặc thù c ủa giám sát và điều khiển cơng nghi ệp là mơi trườ ng
khơng địi hỏi lượ ng
ng l ớ n dữ  liệu thông tin đượ c truyền tải nhưng yêu cầu r ất cao về  

độ  tin cậy và đáp ứng thờ i gian thực. Mạng c ảm biến không dây đượ c ứng dụng
trong linh vực này chủ yếu phục vụ  việc thu thậ p thông tin, ggiám
iám sát tr ạng thái ho ạt

độ ng c ủa hệ  thống, như trạng thái các van, tr ạng thái thiết bị, nhiệt độ  và áp suất
c ủa nguyên liệu được lưu trữ.

b.  Tự   động hố gia đình và điệ n dân dụng

Gia đình là khơng gian ứng dụng r ất lớ n cho các mạng cảm biến không dây.
SmartHome là thuật ngữ  để  ch
 c hỉ  một ngôi nhà thông minh vớ i sự  ứng dụng toàn
6


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

diện của các thiết bị  cảm biến khơng dây. Mục đích lớ n của các mạng c ảm biến

khơng dây trong gia đình đượ c mong chờ   là mức tiêu thụ  điệ n thấ p và hoạt động
ổn định.
c.  Ứ ng
ng dụng trong quân s ự  
Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể  thiếu trong các ứng
dụng quân s ự  ngày nay vớ i các hệ th
 t hống mệnh lệnh, điều khiển, thu thậ p tin tức
tình báo truyền thơng, tính tốn, theo dõi k ẻ  tình nghi, trinh sát và tìm m ục tiêu.

Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả  năng chịu đựng l ỗi c ủa các
mạng cảm biến cho thấy đây là mộ t công nghệ  đầy triển vọng trong lĩnh vực quân
sự.

d.  Ứ ng
ng dụng trong y t ế 
Một số  ứng dụng trong y t ế của mạng c ảm biến không dây là cung c ấ p khả 

năng giao tiếp cho ngườ i khuyết tật, kiểm tra tình tr ạng c ủa bệnh nhân, chẩn đốn,  

quản lý dượ c phẩm trong bệnh viện, kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế  sinh học
 bên trong
tro ng của cơn trùng và các lồi sinh vật nhỏ  khác.

e.  Ứ ng
ng dụn
ụngg trong môi trườ ng
ng và ngành nông nghi ệp
Một số các ứng dụng về  môi trườ ng
ng c ủa mạng cảm biến không dây bao gồm
kiểm tra các điều ki
kiện môi trườ nngg ảnh hưở ng
ng t ớ i mùa màng và vật ni; tình tr ạng

nước tướ i;i; phát hiện hóa học, sinh học; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất tr 
t r ồng,
 biển; phát hiện cháy r ừng; nghiên c ứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ  bản
ng và nghiên c ứu ô nhiễm môi trườ ng.
ng.
đồ  sinh học phức tạ p của môi trườ ng

2.2   IPv6
2.2.1  Tổng quan về  IPv6

Địa chỉ IP hiện nay đa phần đang sử dụng là thuộc thế hệ 4 (IPv4), s ử dụng
32 bit để mã hóa địa chỉ. Theo lý thuyết thì IPv4 chứa hơn 4 tỷ ( 23 ) đị a chỉ và có
thể c ạn kiệt trong tương lai gần. Chính điều này thúc đẩy sự  ra đờ i m ột thế hệ  đị a
chỉ  Internet mớ i IPv6. Hình 1.4 là thống kê từ  Tổ  chức cấ p phát
phát số  hiệu
Internett (IANA

Interne
(IANA, Interne
Internett Assi
ssigned
gned Numbers Author
Authority)
ity)..
7


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

Hình 2.4 Thự 
Thự c trạng
trạng địa
địa chỉ
chỉ IPv4 hiệ
hiệ n nay[4] 

IPv6 ra đờ i vớ i hi vọng khắc phục những hạn chế vốn có c ủa địa chỉ IPv4 như
không gian địa chỉ, c ấu trúc định tuyến và bảo mật, đồng thời đem lại những đặc
tính mớ i thỏa mãn các nhu c ầu dịch vụ  của thế hệ mạng mới (như khả  năng tự độ ng
c ấu hình mà khơng c ần hỗ  tr ợ 
ợ c
 của máy chủ  DHCP Server, c ấu trúc định tuyến tốt

hơn, hỗ tr ợ 
ợ Multicast,

ợ bảo mật và di độ ng tốt hơn). Hi ện nay, IPv6 đang đượ c
 Multicast, hỗ tr ợ 
chuẩn hóa từng bước và đưa vào sử  dụng thực tế. IPv6 ra đời khơng có nghĩa là
 phủ  nhận hồn tồn IPv4. Vì là một phiên bản hồn tồn mớ i c ủa cơng nghệ  IP,
việc nghiên c ứu, ứng dụng vào thực ti ễn luôn là một thách thức r ất lớ n liên quan

đế n kh
khả  năng tương thích giữa IPv6 và IPv4, liên quan đế n vi
việc chuyển đổi từ IPv
 IPv44
lên IPv6, làm thế  nào mà ngườ i dùng có thể  khai thác những thế mạnh c ủa IPv6

nhưng không nhất thiết phải nâng c ấp đồng loạt toàn bộ  mạng (LAN, WAN,
Internet
Internet…)
…) lên
l ên IPv6.
IPv6. 

8


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

2.2.2   Các loại đị a chỉ  IPv6

Địa chỉ  IPv6 đượ c chia làm 3 lo ại chính [5]:


  Địa chỉ Unicast: đượ c sử dụng để xác định một Interface. Một gói tin có đích

đế n là một địa ch
c hỉ  unicast thông qua Routing s ẽ chuyển đến một Interface



duy nhất trong mạng.
  Địa chỉ  Anycast: đượ c sử dụng để xác định nhiề u Interface. Tuy nhiên, gói
có đị a chỉ  đế n là anycast s ẽ  thông qua routing để chuyển đến chỉ một node

Interface
ace có cùng
cùng đị a chỉ anycast, thơng thườ ng
trong số các Interf
ng là Interface gần
nhất.


Multicast
st : đượ c sử dụng để xác định nhiều Interface, một gói có đị a
  Địa chỉ Multica
chỉ đến là địa chỉ multicast s ẽ thơng qua q trình routing để chuyển đến tất
c ả những interface có cùng địa chỉ multicast. Như vậy, trong IPv6 khơng có

đị a chỉ  Broadcast, vì Broadcast đã đượ c bao gồm trong nhóm địa chỉ 
Multicast.
2.3   6LoWPAN
2.3.1   Tổng quan

6LoWPAN [1, 6, 7] vi ết tắt của IPv6 over Low Power Wireless Area
 Networks, là một chuẩn giao thức internet dành cho mạng c ảm biến không dây,
hoạt động trên chuẩn IEEE 802.15.4. Giao thức 6LoWPAN có phạm vị  ứng dụng
r ộng rãi, trong nhiều mục đích ứng dụng k hác
hác nhau như điều khiển thiết bị  trong
nhà, các thiết bị thể thao, thi ết bị y tế, giám
giám sát môi trườ ng,
ng, tự độ ng hố trong cơng
nghiệ p.

Kiến trúc mạng của giao thức 6LoWPAN như trong hình  dưới: 

9


  

Chương 2: Các khái niệ m chung

Hình 2.5 Kiế
Kiế n trúc mạ
mạng 6LowPAN[1] 

2.3.2   Các đặc tính c ủa 6LoWPAN:
Các giao thức trong 6LoWPAN hỗ tr ợợ  cả  hai phương thức đánh địa chỉ 
64 bit và
và 16 bit theo chuẩn IEEE 802.15.4. 6LoWPAN đượ c thiết k ế  để  phù
hợ  p vớ i các lớ  p liên
liê n k ết
ng thấp như IEEE 802.15.4, những mạng

ết năng lượ ng
c ảm biến năng lượ ng
ng thấp, băng thông nhỏ , giao tiế p theo kiểu power line.

 Ngồi ra, 6LoWPAN cũng
cũng có ph
phương
ương thức nén header hi ệu quả, tự độ ng cấu
hình mạng bằng cách s ử dụng cơ chế neigh
 neighbor
bor disc
discov
overy,
ery, hỗ tr ợợ  các phương
phương
thức truyền multicast, unicast và broadcast.

2.3.3   Ki ến trúc c ủa mạng 6LoWPAN
Kiến trúc c ủa mạng 6LoWPAN [1] cũng giống như mạng LoWPAN, chỉ khá
 khácc
ở  ch
 c hỗ t ất c ả các nút trong mạng đểu s ử dụng IPv6. Theo mơ t ả  như hình 1.9, có 3
lo ại : Mạng LowPAN đơn giản (Simple LoWPAN), Mạng LowPAN mở   r ộng
(Extended LoWPAN), Mạng Ad hoc LoWPAN (Ad hoc LoWPAN).

Ad hoc LoWPAN không đượ c k ết nối đến
đế n In
Internet
ternet,, nhưng bù lại nó vận hành
mà khơng c ần bất cứ  cơ sở   hhạ  tầng cố đị nh nào, giữa các nút có thể t ự t ạo k ết nối

vớ i nhau. Simple LoWPAN đượ c k ết nối đến mạng IP khác thông qua một Edge
Router. Extended LoWPAN chứa đựng các Simple LoWPAN, mỗi Edge Router

10


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

c ủa nó s ẽ đượ c k ết nối vớ i nhau thông qua một backha
backhaul
ul (hay cịn gọi là backbone),

sau đó từ  backbone này s ẽ đượ c k ết nối đến internet.

Hình 2.6 Kiế
Kiế n trúc mạ
mạng 6LoWPAN[1]

2.3.4   Quá trình thi ết l ập và vận hành 6LoWPAN
Các ứng dụng c ủa 6LoWPAN thường liên quan đế n các thiết bị và
 và m ạng hoàn
toàn tự  động, điều đó có nghĩa chúng phải tự  độ ng cấu hình mà không c ần sự can
thiệ p c ủa con ngườ i.i.

Để cho một mạng 6LoWPAN ho ạt động, trướ c tiên phải thiết lậ p :
- 

Giao tiế p giữa các nút trong mạng ở  l l ớ  p liên

liê n k ết (Link layer): Để cho các
nút mạng có thể  trao đổi thơng tin với nhau, trướ c tiên, chúng phải tương
thích vớ i nhau ở  l l ớ  p vật lý cũng như là ở  l lớ  p liên
liê n k ết.

11


 

Chương 2: Các khái niệ m chung
- 

Cấu hình đị a chỉ  lớ  p mạng (Network layer) , xác định các nút lân c ận
(Neighbor Discovery): Khi lớ  p liên
liê n k ết
ết đã hoạt độ ng và có thể liê
 liênn lạc gi ữa
các thiết bị  liền k ề  (one-hop), cơ chế  6LoWPAN Neighbor Discovery
(6LoWPAN- ND)
 ND) đượ c sử dụng để tự c ấu hình và khởi động tồn bộ mạng.

Thuật tốn định tuyến (khở i t ạo các đường định tuyến).
-   Tiế p tục b ảo trì cho các bướ c trên hoạt động đúng và ổn định.
- 

2.4   Continki OS
2.4.1  Tổng quan
Hệ  điề u hành Contiki [1, 6] là một hệ  điề u hành mã nguồn mở  ph
 phổ  biến cho

các kiến trúc vi điều khiển nhỏ  như AV
AVR, 8051
80 51,, MSP43
MSP4300, hoạt động dựa trên cơ
chế event - driven và có những đặc điểm phù hợ  p vớ i các hệ thống nhúng và mạng
c ảm biến không dây. Vớ i Contiki, vi ệc phát tri ển r ất dễ  dàng và nhanh chóng: Các

ứng dụng Contiki đượ c viết bằng C tiêu chuẩn, vớ i trình giả  lậ p Cooja Mạng
Contikii có thể đượ c mơ phỏng trướ c khi
Contik
khi ghi vào phần cứng và Instant Contiki cung
c ấ p tồn bộ mơi trườ ng
ng phát triển trong một lần tải xuống.
Bên c ạnh đó, Contiki cịn cung cấ p những công c ụ hỗ tr 
 t r ợợ  mô
 mô phỏng vớ i giao diện

đơn giản, dễ sử dụng và hỗ tr ợ 
ợ t tốt những thiết bị trong thực tế, ph
phục vụ  những mục
đích nghiên cứu, mơ phỏng và triển khai những giao thức mớ i.i.
2.4.2   Gi
Giaao thứ c MAC trong Contiki OS
Một nhiệm vụ  quan tr ọng c ủa lớ  p MAC
MAC là kiểm sốt truy nhậ p vào các kênh
truyền vơ tuyến. Trong mạng c ảm biến không dây, bộ vô tuyến c ần phải đượ c tắt
nhiều nhất có thể  để  tiết ki ệm năng lượng. Điều này đượ c thực hiện bở i các giao
thức RDC (Radio Duty Cycle) trong h ệ  điề u hành Contiki. Hi ện tại, hệ  điề u hành

Contiki đã thực thi một số giao thức RDC bao gồm các giao thức ContikiMAC,

XMAC,
XMA
C, ngồi ra cị
cịnn có NullRDC, m ột giao thức khơng thực hiện bất kì một cơ
chế xử lý nào ở  l lớ  p MAC.
MAC. Trong luận văn này, nhóm sử dụng 2 giao thức MAC là

ContikiMAC và NullRDC để mô phỏng và tiến hành thực nghiệm. 
a.  Gi
Giaao thứ c ContikiMA
Contiki MAC
C
12


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

Cũng tương tự  như XMAC, ContikiMAC  [8] cũng sử dụng cơ chế thức dậy
đị nh kì (perodical wake-up) để phát hiện sự truyền tin c ủa các nút lân c ận. Nếu
trong quá trình thức dậy, nút phát hi ện có gói tin gửi đến, nó s ẽ giữ tr ạng thái
wake- up để có thể nhận đượ c hồn tồn gói tin. Khi q trình nh ận đã hồn thành,
nó gửi m ột gói tin ACK để  xác nhận đến phía gửi. 

chế  hoạt
ạt động
động củ
Hình 2.7 Cơ chế ho
của ContikiMAC[8]

Để gửi một gói tin, phía gửi sẽ gửi lặp đi lặ p lại gói tin đó đế n khi nó nhận
đượ c gói tin ACK từ phía nhận. Đối với trườ ng
ng hợp gói tin đó  là gói tin quảng bá
(broadcast), phía gửi s ẽ khơng nhận các gói ACK tr ả về, thay vào đó, để đảm bảo
tất c ả các nút sẽ nhận đượ c,
c, nó sẽ liên tục gửi gói tin và đồ ng thời cũng ở   trong
tr ạng thái ln thức (full wake-up).

Hình 2.8 ContikiMAC với
với trườ ng
ng hợ p gử 
gử i broadcas
broadcast[8]
t[8]

13


 

Chương 2: Các khái niệ m chung

b.  Gi
Giaao thứ c NullRDC
 NullRDC là giao th ức mặc định trong
tro ng ContikiOS st
stack
ack layers, khi thực hiện
giao thức này, tất cả  các nút đều trong tr ạng thái thức (always

(always on), ddoo đó
đ ó nó khơng
khơng
ti ết kiệm năng lượng, nhưng bù lại thì đảm bảo các gói tin nhận đượ c sẽ khơng bị 
drop. Ta sử  dụng NullRDC trong các trườ nngg hợp testing hay để so sánh vớ i các
giao thức RDC khác. 

2.5   Gi
Giaao thức đị nh tuyến RPL
2.5.1  Tổng quan
Trong mơ hình mạng khơng dây cơng suất thấp cũng cần phải có q trình

đị nh tuyến để  đến đích.
đíc h. Nhằm đáp ứng các yêu c ầu cho vi ệc truyền dữ  liệu trong
môi trườ ng
ng suy hao công suất thấp đối vớ i mạng IPv6, giao thức định tuyến cho
mạng công suất th
t hấp RPL đã đượ c thiết k ế.
RPL  –  IPv6
IPv6 Routing Prot
P rotoco
ocoll for Low Pow
Power
er and Lossy Netw
Network
ork là ggiao
iao th ức định
tuyến cho mạng tổn hao năng lượ ng
ng thấ p nói cchu
hung

ng và mạng c ảm biến khơng dây
nói riêng. RPL là giao thức định tuyến theo vector kho ảng cách (distance-vector)
[9] nhưng có thêm một số cải ti
t iến để hoạt động tr ọng
ọng môi trườ ng
ng LLN. Các yếu tố 
c ải ttiiến đượ c sử dụng bao gồm:


Nguyên lí cơ
  Sử dụng thuật tốn “Trickle” để  quảng bá thơng tin đị nh tuyến. Nguyên
 bản c ủa thuật toán này là dựa vào tr ạng thái c ủa mạng hiện tại và năng lực xử  
lý c ủa các node để điề u chỉnh tần suất gửi thông tin quảng bá phù hợ  p.



  Phân tậ p theo không gian (Spatial div
diversi
ersity):
ty): Đặc điểm phân tậ p theo khơn
khơngg

gian cho phép mỗi node có một tậ p các node mạng cha để sẵn sàng thay thế 
lẫn nhau khi c ần thiết. Nếu một nút mạng cha bị mất k ết nối, nút mạng con
sẽ sử dụng parent node khác để  đế n gatewa
gate way.
y.


  Sử  dụng giải pháp ước lượng bướ c truyền ETX (Estimated number of

Transmission) để tính tốn metric động.
độ ng. Đ
Đốối vớ i giao thức RPL, mectric
mect ric đượ c
sử dụng là metric động vì là đại lượng thay đổ i liên tục, có giá tr ị khác nhau
14