luận án tiến sĩ giải pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng iot với giao thức coap

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>GIÀI PHÁP ĐIÂU KHIÄN TÀC NGH¾N TRONG M¾NG </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>HàC VIÈN CƠNG NGHÈ BU CHNH VIặN THễNG</b>

<b>GII PHP IU KHIN TC NGHắN TRONG M¾NG </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Tơi xin cam đoan ln án <GiÁi pháp điÅu khiÇn tÃc nghÁn trong m¿ng IoT vßi giao thāc CoAP= là cơng trình nghiên cāu cÿa tơi, d°ßi sā h°ßng d¿n cÿa PGS.TSKH Hoàng Đăng HÁi và TS. Ph¿m ThiÃu Nga. Các kÃt quÁ đ°ÿc trình bày trong ln án là hồn tồn trung thāc và khơng xung đåt vßi bÃt kỳ tác giÁ nào khác. Các sá liËu trong luÁn án đ°ÿc sử dāng là trung thāc, måt phÅn đã đ°ÿc công bá trên các t¿p chí khoa học chun ngành vßi sā đßng ý và cho phép cÿa đßng tác giÁ.

.

<i><b>Người cam đoan </b></i>

<i><b>Lê Thị Thùy Dương </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

ĐÇ hồn thành ln án tơi xin bày tß lịng biÃt ¢n sâu sÃc đÃn PGS.TSKH. Hoàng Đăng HÁi – Học viËn Cơng nghË B°u chính viÉn thơng và TS Ph¿m ThiÃu Nga – Đ¿i học xây dāng Hà Nåi đã tÁn tình h°ßng d¿n, t¿o mọi điÅu kiËn và giúp đỡ tơi thāc hiËn và hồn thành luÁn án này.

Tôi xin trân trọng cÁm ¢n các thÅy cơ giáo cÿa Học viËn Công nghË B°u chính viÉn thơng đã có nhÿng nhÁn xét khoa học chân thành và sâu sÃc trong các buái báo cáo định h°ßng và tiÃn đå nghiên cāu cũng nh° báo cáo chuyên đÅ và tiÇu ln táng quan.

Tơi cũng xin trân trọng cÁm ¢n các thÅy cơ trong khoa ViÉn thơng và khoa Đào t¿o sau đ¿i học, Học viËn Công nghË B°u chính viÉn thơng đã giÁng d¿y và giúp đỡ nhiËt tình trong suát quá trình học tÁp t¿i Học viËn B°u chính viÉn thơng.

Tơi biÃt ¢n nhÿng ng°ái thân trong gia đình đã ln bên tơi, nhÿng đßng nghiËp, b¿n bè đã đång viên đÇ tơi có thÇ hồn thành bÁn luÁn án.

<i><b>Nghiên cứu sinh </b></i>

<i><b>Lê Thị Thùy Dương </b></i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

DANH MĀC CÁC TĂ VIÂT TÂT ... vi

DANH MĀC CÁC KÝ HIÊU ... viii

1.3.1. ĐiÅu khiÇn vịng hã và điÅu khiÇn vịng kín ... 15

1.3.2. ĐiÅu khiÇn dāa cửa sá và điÅu khiÇn dāa tác đå ... 16

1.3.3. ĐiÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng IoT ... 17

1.4. ĐiÅu khiÇn má và khÁ năng áp dāng cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn ... 18

1.4.1. Logic má ... 18

1.4.2. ĐiÅu khiÇn má ... 20

1.4.3. KhÁ năng áp dāng điÅu khiÇn má cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn ... 22

1.5. Giao thāc CoAP ... 24

1.5.1. Ho¿t đång cÿa CoAP ... 24

1.5.2. C¢ chà điÅu khiÇn tÃc nghÁn cÿa CoAP ... 25

1.6. Các nghiên cāu liên quan cÁi tiÃn CoAP và nhÿng tßn t¿i ... 26

1.6.1. Các nghiên cāu liên quan cÁi tiÃn CoAP ... 26

1.6.2. Nhÿng tßn t¿i cÿa CoAP và cÿa các nghiên cāu liên quan ... 31

1.7. Các tham sá đánh giá hiËu năng giao thāc CoAP ... 34

1.8. KÃt luÁn ch°¢ng 1 ... 35

CH¯¡NG 2. MƠ HÌNH TRUN CHI GĨI VÀ GIAO THĀC RCoAP ĐIÄU KHIỈN TÂC NGHÀN DĀA VÀO TàC Đä ... 37

2.1. Mơ hình phân tích cho truyn chuói gúi tin cy vòi CoAP ... 37

2.1.1. S đß lußng tin kÃt nái đÅu cuái cÿa CoAP trong m¿ng IoT ... 37

2.1.2. Mơ hình điÅu khiÇn tÃc nghÁn cho CoAP ... 38

2.1.3. Tính tốn tác đå phát chi gói tin cÿa CoAP ... 40

2.2. ĐÅ xuÃt giao thāc RCoAP... 45

2.2.1. CÂ ch hot ồng v iu khiần tc nghÁn cÿa RCoAP ... 45

2.2.2. Các tr¿ng thái cÿa giao thāc RCoAP ... 47

2.2.3. Các tht tốn c¢ bÁn cÿa giao thāc RCoAP ... 48

2.3. Tính tốn hiËu năng giao thāc RCoAP ... 53

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

2.3.3. Thông l°ÿng ... 54

2.3.4. Các tham sá hiËu năng khác ... 54

2.4. KÃt q mơ phßng cho RCoAP... 55

2.4.1. ThiÃt lÁp mơi trỏng mụ phòng ... 55

3.1. Gii phỏp iu khiần tc nghn s dng hậ iu khiần mỏ ... 69

3.1.1. SÂ ò gii phỏp v cỏc tham sỏ iu khiần ... 69

3.1.2. Phát hiËn sßm tÃc nghÁn ... 70

3.1.3. Tính tốn băng thơng cá chai và tÁi l°u l°ÿng chi gói ... 71

3.1.4. Lāa chọn đÅu vào cho hË điÅu khiÇn má ... 72

3.1.5. Lāa chọn đÅu ra cho hË điÅu khiÇn má ... 75

3.2. ThiÃt kà hË tháng điÅu khiÇn má ... 76

3.2.1. Má hóa ... 76

3.2.2. C¢ sã lt má ... 79

3.2.3. Mơ t¢ suy diÉn má ... 80

3.2.4.GiÁi má, điÅu chÍnh tác đå phát, cÁp nhÁt RTO ... 81

3.3. Giao thāc FCoAP cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng ... 81

3.3.1. CÂ ch iu khiần ca FCoAP ... 81

3.3.2. Các tr¿ng thái cÿa giao thāc FCoAP ... 84

3.3.3. Các tht tốn cÿa giao thāc FCoAP ... 85

3.4. Tính tốn hiËu năng giao thāc FCoAP ... 88

3.4.1. Đå trÉ đÅu cuái cÿa FCoAP ... 88

3.4.2. Thông l°ÿng cÿa FCoAP ... 90

3.5.3. Các thông sá hiËu năng khác ... 90

3.5. KÃt q mơ phßng đánh giá FCoAP ... 90

3.5.1. ThiÃt lÁp mơi tr°áng mơ phßng cho FCoAP ... 90

3.5.2. Kịch bÁn 3.1: KiÇm tra ho¿t đång cÿa hË điÅu khiÇn má ... 92

3.5.3. Kịch bÁn 3.2: So sánh hiËu năng FCoAP và CoAP ... 94

3.5.4. Kịch bÁn 3.3: HiËu năng FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái .... 96

3.5.5. Kịch bÁn 3.4: HiËu năng FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng CoAP hãn hÿp .. 98

3.5.6. Kịch bÁn 3.5: FcoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng TCP/UDP hãn hÿp ... 100

3.5.7. Kịch bÁn 3.6: So sánh FCoAP vßi CoAP, CoCoA, CoCoA+ ... 101

3.6. So sánh FCoAP vßi RCoAP ... 103

3.7. KÃt luÁn ch°¢ng 3 ... 109

KÂT LUÀN ... 110

A. Đóng góp mßi cÿa ln án ... 111

B. H°ßng phát triÇn tiÃp ... 111

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>Tă viÁt tÁt TiÁng Anh TiÁng ViÉt </b>

6LoWPAN Ipv6 protocol over low

power wireless PAN Giao thāc IPv6 vßi m¿ng vùng hẹp không dây công suÃt thÃp

ABF Adaptive-boundary Backoff

Factor HË sá lùi thích nghi ACK Acknowledgement Gói tin báo nhÁn AIAD Additive Increase / Additive

Decrease Tăng cång/GiÁm cång AIMD Additive Increase

Multiplicative Decrease Tăng cång giÁm nhân AMQP Advanced Message Queuing

Protocol Giao thāc xÃp hàng tin nhÃn nâng cao BBR Bottleneck Bandwidth and

Round-trip propagation time Tích băng thơng cá chai và thái gian

BEB Binary Exponential Backoff Lùi theo hàm mũ nhị phân

BUNCON Basic Uncconfirmable Lußng CoAP ã chà đå không tin cÁy CoAP Constrained Application

CoCoA Simple Congestion Control

Advanced BÁn cÁi tiÃn CoAP có c ch iu khiần tc nghn ci tin Ân giÁn

CoG Center-of-Gravity Trung bình trọng tâm CON Confirmable Gói tin truyÅn tin cÁy CWDN Congestion Window Cửa sá tÃc nghÁn

DNS Domain Name System HË tháng phân giÁi tên miÅn ETSI European

Telecommunications Standards Institute

ViËn tiêu chuẩn viÉn thông Châu Âu FASOR Fast-Slow RTO BÁn cÁi tiÃn CoAP sử dāng tính RTO

nhanh và chÁm FCS Fuzzy Control System HË điÅu khiÇn má

Fuzzy-RED Fuzzy Random Early Drops Lo¿i bß gói ng¿u nhiên sßm sử dāng điÅu khiÇn má

H2E Human to Environment TruyÅn tin ng°ái – vßi mơi tr°áng H2M Human to Machine TruyÅn tin ng°ái - vßi máy

HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thāc truyÅn tÁi siêu văn bÁn ICN Information Concentric

Networks M¿ng tÁp trung thông tin IEEE Insitute of Electrical and

Electronics Engineers ViËn kā s° điËn và điËn tử IETF Internet Engineering Task

Force Tá chāc chuyên trách vÅ kā thuÁt Internet

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

IPI Inter-packet interval KhoÁng thái gian giÿa 2 gói tin liên tiÃp

Tá chāc viÉn thơng qc tà - L*nh vāc tiêu chuẩn viÉn thông

M2H Machine to Human TruyÅn tin máy - ng°ái M2M Machine to Machine TruyÅn tin máy vßi máy

MAC Medium Access Control ĐiÅu khiÇn truy nhÁp mơi tr°áng MQTT Message Queue Telemetry

Transport Giao thāc truyÅn tÁi tă xa hàng đÿi bÁn tin

NON Non-confirmable Gói tin truyÅn không tin cÁy PBF Probability of Backoff

Factor

HË sá xác suÃt cÿa c¢ chà lùi RAP Rate Adaptation Protocol Giao thāc thích nghi tác då RCAP Rate Control Adaptive

Protocol Giao thāc điÅu khiÇn tác đå thích nghi RCoAP Rate-based CoAP BÁn cÁi tiÃn CoAP điÅu khiÇn tÃc nghÁn

dāa vào tác đå

RED Random Early Drop Lo¿i bß gói ng¿u nhiên sßm

RES Reset BÁn tin báo hÿy kÃt nái thiÃt lp mòi REST Representational State

Transfer Chuyần tr¿ng thái đ¿i diËn

RFC Request for Comments Tiêu chuẩn Internet cÿa tá chāc IETF ROTT relative one-way trip time Thái gian đi måt chiÅu t°¢ng đái RTO Retransmission Timeout Định thái phát l¿i

RTT Round Trip Time Thái gian quay vòng TCP Transmission Control

Protocol Giao thāc điÅu khiÇn truyÅn tÁi

TFRC TCP Friendly Rate Control Giao thāc điÅu khiÇn tác đå thân thiËn XMPP Extensible Messaging and

Presence Protocol Giao thāc hiËn diËn và nhÃn tin mã rång

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>Ký hiẫu í ngh*a Ân vò o </b>

<i>ủ(k) </i> Thơng l°ÿng đo đ°ÿc ã thái điÇm k bps

<i>đ(S) </i> Hàm thơng l°ÿng, là hàm sá cÿa S bps

<i>RTT<small>r </small></i> Đå biÃn thiên t°¢ng đái cÿa RTT Ms đ<i><small>t</small>(k) </i> Thơng l°ÿng tāc thái cÿa lußng tin trong måt khoÁng thái gian

<i>BG(k) </i> Tÿ sá cÿa thông l°ÿng trên băng thông cá chai lßn nhÃt t¿i thái

<i>BW<small>max</small>(k) </i> Băng tháng cá chai tái đa cÿa kÃt nái t¿i k bps

<i>D<small>0</small></i> Đå trÉ gói tin måt chiÅu cÿa gói tin đÅu tiên trong lußng tin ms

<i>D<small>TB </small></i> Đå trÉ gói tin trung bình cÿa lng tin ms

<i>N </i> Sá gói tin phát đi trong måt phiên kÃt nái gói

<i>N<small>k </small></i> Sá gói tin đ°ÿc phát đi thành công (nhÁn đ°ÿc ACK) trong chu

<i>R<small>max </small></i> Tác đå tái đa cho phép phā thuåc vào āng dāng và điÅu kiËn

<i>R<small>r</small>(k) </i> Tác đå xử lý cÿa bên nhÁn trong chu kỳ k bps

<i>RTO<small>init</small></i> Giá trị RTO đ°ÿc dùng cho lÅn phát gói kà tiÃp ms

<i>RTT<small>m</small>(k) </i> RTT đo thāc tà t¿i thái điÇm k ms

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<i>RTT<small>min</small>(k) </i> Giá trị RTT nhß nhÃt tính đÃn thái điÇm k ms

<i>RTT<small>S</small>(k) </i> Giá trị RTT trung bình theo ph°¢ng pháp EWMA ms

<i>RTTVAR<small>x </small></i> Giá trị °ßc trung bình °ßc tính cÿa RTT theo 2 chà đå m¿nh,

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 1.1 KiÃn trúc m¿ng ICN ... 11

Hình 1.2 KiÃn trúc m¿ng ICN cā thÇ cho các āng dāng IoT ... 11

Hình 1.3 SÂ ò túm lc cỏc giao thc chớnh ca IoT ... 11

Hình 1.4 Mái quan hË giÿa các đ¿i l°ÿng a) theo thái gian, b) theo tÁi l°u l°ÿng ... 13

Hình 1.5 Ví dā vÅ tr°áng hÿp nghÁn cá chai ... 14

Hình 1.6 C¢ chà tăng cång – giÁm nhân cÿa TCP ... 16

Hình 1.7 Cách biÇu diÉn hàm thc a) hình thang, b) hình tam giác ... 19

Hình 1.8 Mơ hình hË tháng điÅu khiÇn má ... 20

Hình 1.9 Tiêu đÅ cá định cÿa gói tin CoAP ... 24

Hình 1.10 CÃu trúc måt gói tin CoAP ... 24

Hình 1.11 Ví dā vÅ chà đå truyÅn tin cÁy (a) và khơng tin cÁy (b) ... 25

Hình 1.12 a) Trao đái gói tin CON và ACK, b) Các lÅn phát l¿i ... 26

Hỡnh 2.1 SÂ ò luòng tin kt nỏi u cuái cÿa CoAP trong m¿ng IoT ... 37

Hình 2.2 Mái quan hË giÿa các đ¿i l°ÿng điÅu khiÇn (dāa theo [64,27]) ... 38

Hình 2.3 Các chu kỳ phát gói tin theo chuói ca CoAP ... 40

Hỡnh 2.4 SÂ ò triần khai RCoAP t¿i bên gửi và bên nhÁn ... 45

Hình 2.5 Bán tr¿ng thái cÿa giao thāc RCoAP ... 47

Hình 2.17 Đå trÉ 3 lußng RCoAP (trong sá 10 lußng) ... 61

Hình 2.18 Thơng l°ÿng 3 lng RCoAP (trong sá 10 lng) ... 62

Hình 2.19 Đå trÉ trung bình cÿa 10 lng RCoAP và 10 lng CoAP ... 62

Hình 2.20 Thơng l°ÿng trung bình cÿa 10 lng RCoAP và 10 lng CoAP ... 63

Hình 2.21 Đå trÉ RcoAP và CoAP ... 64

Hình 2.22 Thơng l°ÿng RCoAP và CoAP ... 64

Hình 2.23 Đå trÉ trung bình cÿa 10 lng RCoAP và 10 lng CoAP ... 65

Hình 2.24 Thơng l°ÿng trung bình cÿa 10 lng RCoAP và 10 lng CoAP ... 65

Hình 3.1 SÂ ò gii phỏp iu khiần mỏ ... 70

Hỡnh 3.2 a) BiÃn thiên RTT b) BiÃn thiên băng thơng cá chai ... 70

Hình 3.3 BiÃn thiên tÁi l°u l°ÿng và BDP cÿa CoAP ... 72

Hình 3.4 a) BiÃn thiên RTT khi tÃc nghÁn và b) BiÃn thiên t°¢ng āng cÿa RT(k) ... 73

Hình 3.5 a) BiÃn thiên thông l°ÿng b) BiÃn thiên BG_gradient ... 75

Hình 3.6 Mơ hình hË tháng điÅu khiÇn má ... 76

Hình 3.7 a) Các hàm thuåc cho RT_gradient, b) Các hàm thuåc cho BG_gradient ... 77

Hình 3.8 a) Đå thuåc RT_gradient=0.7, b) Đå thuåc BG_gradient=0.65 ... 78

Hình 3.9 Các hàm thuåc cho đÅu ra C_degree ... 79

Hình 3.10: TÁp má kÃt quÁ đÅu ra. ... 81

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 3.13 BiÃn thiên RT_gradient, BG_gradient và C_degree ... 92

Hình 3.14 BiÃn thiên C_degree cÿa ba lng FCoAP ... 92

Hình 3.15 Đå trÉ cÿa FCoAP ... 93

Hình 3.16 Thơng l°ÿng cÿa FCoAP ... 93

Hình 3.17 Đå trÉ cÿa FCoAP và CoAP ... 95

Hình 3.18 Thơng l°ÿng FCoAP và CoAP ... 95

Hình 3.19 Đå trÉ cÿa FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái ... 96

Hình 3.20 Sá lÅn phát l¿i cÿa FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái ... 97

Hình 3.21 Phát l¿i đúp cÿa FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái ... 97

Hình 3.22 Thơng l°ÿng cÿa FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái ... 97

Hình 3.23 Đå trÉ cÿa FCoAP và CoAP khi l°u l°ÿng CoAP hãn hÿp... 99

Hình 3.24 Thơng l°ÿng cÿa FCoAP và CoAP khi l°u l°ÿng CoAP hãn hÿp ... 99

Hình 3.25 Đå trÉ cÿa FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng nÅn TCP/UDP ... 100

Hình 3.26 Thơng l°ÿng cÿa FCoAP và CoAP khi có l°u l°ÿng nÅn TCP/UDP ... 101

Hình 3.27 So sánh đå trÉ cÿa FCoAP, CoAP, CoCoA và CoCoA+ ... 102

Hình 3.28 So sánh thơng l°ÿng cÿa FCoAP, CoAP, CoCoA và CoCoA+ ... 102

Hình 3.29 Đå trÉ cÿa FCoAP và RCoAP trong chặng đ¢n ... 105

Hình 3.30 Thơng l°ÿng cÿa FCoAP và RCoAP trong chặng đ¢n ... 106

Hình 3.31 Đå trÉ cÿa FCoAP và RCoAP trong chặng dài ... 107

Hình 3.32 Thơng l°ÿng cÿa FCoAP và RCoAP trong chặng dài ... 108

<b>DANH MĀC CÁC BÀNG </b>

BÁng 2.1: Các ký hiËu cho mơ hình phân tích ... 39

BÁng 2.2: Các ký hiËu tính tốn hiËu năng RCoAP ... 53

BÁng 2.3: Các tham sá chính đÇ thiÃt lÁp mơ phßng RCoAP ... 56

BÁng 2.4: So sánh hiËu năng cÿa RCoAP và các giao thāc CoAP khác ... 59

BÁng 2.6: So sánh RCoAP và CoAP khi đå trÉ liên kÃt D = 70ms ... 63

BÁng 2.7: So sánh RCoAP và CoAP khi đå trÉ liên kÃt D =120ms ... 65

BÁng 2.8: Các cÁi tiÃn cÿa RCoAP so vßi CoAP, CoCoA và CoCoA+ ... 67

BÁng 3.1: TÁp luÁt má ... 79

BÁng 3.2: Các tham sá chính đÇ thiÃt lÁp mơ phßng RCoAP ... 91

BÁng 3.3: So sánh hiËu năng cÿa các lußng tin FCoAP ... 94

BÁng 3.4: So sánh hiËu năng cÿa FCoAP và CoAP ... 94

BÁng 3.5: HiËu năng cÿa FCoAP và COAP khi có l°u l°ÿng UDP thay đái ... 98

BÁng 3.6: So sánh hiËu năng cÿa FCoAP và các giao thāc CoAP khác ... 103

BÁng 3.7: So sánh FCoAP và RCoAP trong đ¢n chặng ... 106

BÁng 3.8: So sánh FCoAP và RCoAP trong chặng dài ... 108

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>Mê ĐÄU 1. Lý do chán đà tài và tráng tâm nghiên cāu </b>

Trong vài năm gÅn đây, Internet v¿n vÁt (IoT-Internet of Things) đã trã thành phá biÃn trong nhiÅu l*nh vāc āng dāng. Nhÿng tiÃn bå công nghË trong các l*nh vāc điËn tử, viÉn thông và công nghË thông tin, điÇn hình là cơng nghË cÁm biÃn và m¿ng vô tuyÃn đã t¿o đång lāc cho sā ra đái cÿa kÿ nguyên kÃt nái Internet v¿n vÁt. Theo các tá chāc tiêu chuẩn quác tà [54, 56], IoT là m¿ng kÃt nái các thāc thÇ (thiÃt bị) có khÁ năng thu thÁp, xử lý và trao đái dÿ liËu thông qua Internet. IoT kÃt nái đa d¿ng thiÃt bị mọi lúc mọi n¢i, tă các thit b Ân gin gn cỏc cm bin cho tòi các thiÃt bị thông minh nh° điËn tho¿i thông minh, thiÃt bị theo dõi sāc khße. Thơng qua kÃt nái các thiÃt bị thơng minh vßi Internet, måt nÅn tÁng m¿ng mßi đ°ÿc hình thành cho phép phỏt triần hng lot ng dng mòi nh ngụi nh thơng minh, đơ thị thơng minh, chăm sóc sāc khße, giám sát mơi tr°áng, v.v.

Āng dāng rång rãi cÿa IoT trong các l*nh vāc d¿n tßi sā gia tăng thiÃt bị kÃt nái, nhu cÅu phát triÇn tiêu chuẩn và giao thāc cho IoT. ĐÇ kÃt nái vßi Internet, các thiÃt bị IoT hiËn đang sử dāng các giao thāc truyÅn tháng nh° IP (Internet protocol), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol). Đặc biËt, IoT cÅn các giao thāc tÅng āng dāng đÇ trao đái dÿ liËu giÿa các đÅu cuái. Nhÿng giao thāc tÅng āng dāng rÃt quan trọng đái vßi m¿ng IoT nhằm phāc vā cho các āng dāng đa dng, l mồt c só quan trng ầ triần khai IoT rång rãi trong mọi l*nh vāc. Các tá chāc tiêu chuẩn quác tà nh° ITU, IETF đã nã lāc phát triÇn và chuẩn hóa các giao thāc tÅng āng dāng mßi cho IoT. Các giao thc iần hỡnh tng ng dng gòm: giao thc vÁn chuyÇn hàng đÿi bÁn tin tă xa MQTT (Message Queue Telemetry Transport) [92], giao thāc xÃp hàng bÁn tin nâng cao AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) [30], giao thāc hiËn diËn và nhÃn tin mã rång XMPP (Extensible Messaging and Presence Protocol) [53] và giao thāc āng dāng có ràng buåc CoAP (Constrained Application Protocol) [100]. Các giao thāc này có måt đặc điÇm chung l hng nh ầ phự hp vòi mụi tr°áng m¿ng IoT, trong đó MQTT,

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

AMQP và XMPP ho¿t đång trên tÅng TCP, còn CoAP ho¿t đång trên tÅng UDP. TCP có nhiÅu h¿n chà trong m¿ng IoT nh°: cÅn thái gian thiÃt lÁp và duy trì kÃt nái, chi phí tiêu gúi tin lòn, ồ trẫ lòn do c ch bÃt tay 3 b°ßc, đå phāc t¿p cao, kém hiËu q cho kích th°ßc cửa sá nhß [101, 36, 103, 45]. CoAP ho¿t đång dāa trên UDP nên cú li th l tiờu gúi nhò, c ch ho¿t đång đ¢n giÁn, tác đå nhanh, đå trÉ thÃp, khơng mÃt thái gian khãi t¿o và duy trì kÃt nái, phù hÿp cho các āng dāng thái gian thāc. Do đó, CoAP dāa trên UDP đã đ°ÿc đánh giá là thích hÿp h¢n cho nhiÅu āng dāng IoT và trã thành nÅn tÁng cho các thiÃt bị IoT có h¿n chà tài nguyên nh° đã chÍ ra trong các tiêu chuẩn quác tà [101, 103, 57, 99, 40]. Tuy nhiên, do thiÃt kà đ¢n giÁn nên CoAP còn nhiÅu h¿n chà và cÅn đ°ÿc phát triÇn tiÃp nh° đã nêu trong RFC 7252 [100], tiêu chuẩn cÿa ITU [58] và måt sá RFC khác [102, 103].

<b>Nghiên cāu cÁi tiÁn CoAP đang là vÃn đà rÃt đ°ÿc quan tâm và là chÿ đà nghiên cāu cÿa lu¿n án này. </b>

NhiÅu āng dāng IoT ngày nay khơng chÍ trao đái th°a thßt các gói tin, mà th°áng phÁi truyÅn các lußng dÿ liËu lßn theo thái gian thāc, ví dā các āng dāng trong y tÃ, chăm sóc bËnh nhân, theo dõi giám sát thÁm họa, giám sát video an ninh [36, 57, 103]. TÃc nghÁn xÁy ra khi tÁi l°u l°ÿng v°ÿt quá băng thông kÃt nái hoặc năng lāc xử lý. TÃc nghÁn là vÃn đÅ th°áng xuyên xÁy ra trong m¿ng IoT nh° đã nêu trong các tiêu chuẩn quác tà nh° ITU [56 - 59], các RFC [99, 102, 103] và tiêu chuẩn ETSI TR 103.375 [40]. M¿ng IoT có tài nguyên h¿n chÃ, l°ÿng dÿ liËu cÅn truyÅn rÃt lßn tă nhiÅu thiÃt bị IoT. Mơi tr°áng m¿ng IoT có nhiÅu biÃn đång, có nhiÅu khÁ năng lãi và mÃt gói. BiÃn đång bÃt th°áng cÿa băng thơng liên kÃt d¿n đÃn bùng ná dÿ liËu (burstiness), xuÃt hiËn các chi gói làm gia tăng nguy c¢ tÃc nghÁn [102, 99, 103, 62]. ĐiÅu khiÇn tÃc nghÁn có vai trò quan trọng trong viËc giÁm thiÇu tÃc nghÁn, giÁm mÃt gói, duy trì đå trÉ gói tin nhß, bÁo đÁm thơng l°ÿng và hiËu năng m¿ng, đáp āng yêu cÅu các āng dāng, đặc biËt cho các āng dāng nh¿y cm vòi trẫ v mt gúi.

Hn ch c bn nht ca CoAP l c ch iu khiần tc nghÁn nh° đã chÍ ra trong RFC 7252 [100] và các tiêu chuẩn khác nh° [102, 103, 58]. Các vn tòn ti

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

c thầ ca CoAP trong c ch iu khiần tc nghn gòm: sử dāng các tham sá cá định, chÍ điÅu khiÇn tác đå phát l¿i khi đã xÁy ra mÃt gói (ngh*a là khi đã tÃc nghÁn), khơng hã trÿ chi gói, khơng phát hiËn sßm tÃc nghÁn. NhiÅu nghiên cāu mßi đây đã chÍ ra sā cÅn thit phi ci tin c ch iu khiần ca CoAP [107, 36, 101, 5, 37]. Các cÁi tiÃn CoAP đã có tßi nay chÿ u gßm: thay đái cách tính tốn thái gian quay vịng RTT (Round Trip-time) và định thái phát l¿i RTO (Retransmission Timeout) thay vì dùng tham sá cá định [9, 15, 21, 23, 38, 5], cÁi tiÃn c¢ chà lùi [18, 23, 87, 107], cÁi tiÃn thuÁt toán điÅu khiÇn [9, 11, 24, 37, 67, 69]. Tuy nhiên, CoAP và các bÁn cÁi tiÃn CoAP v¿n còn måt sá h¿n chà sau:

(1) H¿n chà trong tính toán tham sá. (2) Ch°a hã trÿ chuãi gói

(3) H¿n chà vÅ điÅu khiÇn tác đå đÇ giÁm tÃc nghÁn (4) Ch°a phân biËt nguyên nhân mÃt gói

(5) Ch°a phát hiËn sßm tÃc nghÁn

(6) H¿n chà trong tính tốn băng thơng cá chai.

Ngoài ra, do h¿n chà tài nguyên cÿa cỏc thit b IoT, c ch iu khiần cn gn nhẹ, hiËu quÁ. Chi tiÃt cā thÇ vÅ các h¿n chà này sÁ đ°ÿc trình bày trong Ch°¢ng 1. Nghiên cāu giÁi pháp khÃc phāc các h¿n chà trên là các vÃn đÅ thách thāc và là trọng tâm nghiên cāu cÿa luÁn án này.

<b>2. Māc tiêu nghiên cāu </b>

Māc tiêu cÿa luÁn án là nghiên cāu giÁi pháp khÃc phāc các h¿n chà nêu trờn v xut c ch iu khiần tc nghÁn hiËu quÁ cho giao thāc CoAP đÇ trao đái tin cÁy giÿa các thiÃt bị đÅu cuái trong mng IoT. Cỏc mc tiờu c thầ gòm:

- Nghiên cāu xây dāng mơ hình phân tích cho CoAP cho truyÅn tin theo chuãi gói có tin cÁy nhằm khÃc phāc h¿n chà (1) và (2).

- Nghiên cāu đÅ xuÃt giÁi pháp điÅu khiÇn tăng/giÁm tác đå phát cho CoAP dāa vào phát hiËn mÃt gói, tr¿ng thái m¿ng và đ°áng truyÅn nhằm điÅu khiÇn tÃc nghÁn, nâng cao hiËu quÁ truyÅn tin nhằm giÁi quyÃt h¿n chà (3) và (4).

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

- Nghiên cāu đÅ xuÃt giÁi pháp phỏt hiận sòm nguy c tc nghn da vo bin đång m¿ng, điÅu khiÇn tác đå linh ho¿t theo biÃn thiên đång cÿa tr¿ng thái tÃc nghÁn và môi tr°áng truyÅn tin nhằm giÁi quyÃt h¿n chà (5) và (6).

<b>3. Đái t°ÿng nghiên cāu </b>

Đái t°ÿng nghiên cu l c ch iu khiần tc nghn cho giao thāc lßp āng dāng CoAP, mơ hình trun tin theo chi gói và tác đå phát cÿa CoAP.

<b>4. Ph¿m vi nghiên cāu </b>

Ph¿m vi nghiên cāu cÿa luÁn án tÁp trung vào giao thāc CoAP cài đặt trên tÅng āng dāng ã thiÃt b IoT bờn gi v bờn nhn tin vòi c chà điÅu khiÇn tÃc nghÁn theo vịng kín, ngh*a là chÍ dāa trên thơng tin trao đái giÿa các đÅu cuái trong m¿ng IoT.

M¿ng IoT đa d¿ng vÅ thiÃt bị, công nghË m¿ng và āng dāng. ThiÃt bị IoT khác nhau vÅ chÿng lo¿i, tính năng theo āng dāng. Các thiÃt bị IoT đ°ÿc kÃt nái vßi nhau vßi đa d¿ng cơng nghË m¿ng nh° WiFi IEEE 802.11, ZigBee, IEEE 802.15.4, Z-Wave, 6LoWPAN) [62]. Các āng dāng cÿa m¿ng IoT cũng rÃt đa d¿ng trong các l*nh vāc khác nhau [99]. Do CoAP ã tÅng āng dāng, ph¿m vi nghiên cāu cÿa luÁn án không đÅ cÁp đÃn nhÿng vÃn đÅ ã các tÅng m¿ng khác cũng nh° nhiÉu, lãi vô tuyÃn ã tÅng vÁt lý.

Ngoài ra, các kiÃn trúc m¿ng IoT cũng rÃt đa d¿ng. Tuy nhiên, kiÃn trúc m¿ng tÁp trung thông tin ICN (Information Concentric Networks) đã đ°ÿc chuẩn hóa trong [58, 60, 61, 99, 102] và là xu thà chÿ yÃu cho các āng dāng IoT hiËn nay [101], trong đó các thiÃt bị IoT thu thÁp dÿ liËu tă mơi tr°áng đÇ trun vÅ thiÃt bị đÅu cuái phía Internet. Ph¿m vi nghiên cāu cÿa luÁn án tÁp trung vào kiÃn trúc m¿ng ICN nói trên.

L*nh vāc điÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng IoT khá rång và đa d¿ng. LuÁn ỏn ch tp trung vo c ch iu khiần tÃc nghÁn cÿa CoAP. Trong ph¿m vi nghiên cāu, luÁn án khơng đi sâu phân tích các vÃn đÅ khác nh°: Tính tốn đå phāc t¿p, tính tốn tái °u các tham sá, chi phí năng l°ÿng tiêu thā, tác đång cÿa lãi kênh vô tuyÃn, v.v. õy l nhng hòng nghiờn cu tip trong tÂng lai.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>5. Ph°¢ng pháp nghiên cāu </b>

LuÁn án sử dāng các ph°¢ng pháp nghiên cāu sau:

- KhÁo sát tài liËu kā thuÁt vÅ CoAP và các bÁn đã chuẩn hóa, các nghiên cāu cÁi tiÃn liên quan đÇ phân tích, đánh giá các tßn t¿i, h¿n chÃ.

- Nghiên cāu lý luÁn, phõn tớch cỏc phÂng phỏp iu khiần tc nghn ầ lāa chọn giÁi pháp.

- Mơ hình hóa, phân tích mơ hình trun tin ca CoAP ầ xõy dng c ch iu khiần phù hÿp vßi thiÃt bị có h¿n chà tài ngun v mụi trỏng IoT. - Mụ phòng, kiầm chāng, so sánh, đánh giá kÃt quÁ nghiên cāu đ¿t đ°ÿc bằng

cách sử dāng bå cơng cā mơ phßng NS3.

<b>6. ònh hỗng nghiờn cu v cỏc kt qu đóng góp cÿa lu¿n án </b>

Ln án định h°ßng nghiên cāu vào giÁi pháp điÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng IoT vßi giao thāc tÅng āng dāng CoAP. Các câu hßi nghiên cāu đặt ra gßm:

- Nhÿng h¿n ch, tòn ti trong c ch iu khiần tc nghn cÿa CoAP? - Nhÿng đÅ xuÃt cÁi tiÃn CoAP hiËn cịn nhÿng nh°ÿc điÇm gì?

- Lm th no ầ phỏt hiận sòm nguy c tc nghÁn?

- ĐiÅu khiÇn tÃc nghÁn khi nào, māc đå nào đÇ h¿n chà tÃc nghÁn, duy trì hiËu năng cao trong điÅu kiËn m¿ng và băng thông kênh trun ln biÃn đång? Ln án có các kÃt q đóng góp chính nh° sau:

1) ĐÅ xt måt mơ hình phân tích trun tin theo chi gói cho CoAP và giao thāc mßi RCoAP dāa trên tác đå đÇ điÅu khiÇn tÃc nghÁn trong m¿ng IoT vòi c ch iu khiần tng gim tỏc ồ phát phù hÿp vßi tình tr¿ng tÃc nghÁn nhằm đ¿t đ°ÿc hiËu năng cao vÅ đå trÉ, thông l°ÿng, tÿ lË mÃt gói, tÿ lË phát l¿i và t lậ phỏt li ỳp so vòi cỏc c ch CoAP hiËn có. Mơ hình phân tích trun tin theo chuãi gói đ°ÿc công bá trong [J1, J2], giao thāc RCoAP đ°ÿc công bá trong [J3, J4].

2) ĐÅ xuÃt giao thāc mßi FCoAP điÅu khiÇn tÃc nghÁn sử dāng hË điÅu khiÇn má theo biÃn thiên đång cÿa tình tr¿ng tÃc nghÁn và các tham sá m¿ng nhằm

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

đ¿t đ°ÿc hiËu năng cao vÅ đå trÉ, thông l°ÿng, tÿ lË mÃt gói, tÿ lË phát l¿i và t lậ phỏt li ỳp so vòi cỏc c chà CoAP hiËn có trong điÅu kiËn m¿ng biÃn thiên đång, kÇ cÁ khi có tÃc nghÁn nghiêm trọng. Đóng góp này đ°ÿc cơng bá trong [J5, J6].

<b>7. Ý ngh*a khoa hác và thāc tiÇn </b>

<i><b>Ý nghĩa khoa học: </b></i>

- Xây dāng måt mơ hình phân tích trun tin theo chi gói cho CoAP. Mơ hình có thÇ áp dāng đÇ nghiên cāu tính toán định l°ÿng tác đå phát.

- HÅu hÃt các nghiên cāu khác vÅ CoAP chÍ tÁp trung vào cÁi thiËn các tham sá thái gian quay vòng, định thái phát l¿i và c¢ chà phát l¿i. LuÁn ỏn a ra mồt cỏch tip cn mòi ầ tính tốn định l°ÿng tác đå phát, điÅu khiÇn tác đå phát thay vì chÍ điÅu khiÇn tác đå phát l¿i trong các nghiên cāu tr°ßc đó. - Do các tham sá liên quan đÃn tÃc nghÁn biÃn thiên đång và khó xác định

chính xác, luÁn án đÅ xuÃt sử dāng logic má vào điÅu khiÇn tÃc nghÁn cho CoAP. Đây là måt cách tiÃp cÁn mßi tßi nay. HË điÅu khiÇn má đã đ°ÿc chāng minh có nhiÅu °u iầm nh: Ân gin da trên các tham sá không chính xác, khơng cÅn mơ hình tốn học chính xác, cho phép điÅu khiÇn nhanh [70, 72, 39].

<i><b>Ý nghĩa thực tiễn: </b></i>

Các c¢ chà điÅu khiÇn đÅ xt trong ln án có thÇ sử dāng cho các āng dāng IoT trong thāc tÃ:

- Các āng dāng IoT truyÅn l°u l°ÿng lßn theo lng tin, chi gói tin có đå trÉ nhß, thơng l°ÿng cao theo thái gian thāc, ví dā nh° āng dāng truyÅn lußng tin video tă các camera giám sát [93, 103], hay lng gói tin liên tāc theo các khái [99, 103, 69, 25].

- Các m¿ng cÁm biÃn phāc vā māc đích giám sát, ví dā āng dāng truyÅn dÿ liËu thu thÁp tă các cÁm biÃn theo các chuãi gói liên tāc vÅ trung tâm nh° đã nêu trong [10, 11, 5, 59, 57].

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

- Trao đái thông tin máy – máy M2M (machine to machine) phāc vā cho các āng dāng theo dõi, giám sát, cÁnh báo vÅ thÁm họa nh° đã nêu trong [9, 115, 57, 59], các āng dāng điÅu khiÇn tă xa trong y tÃ, các āng dāng theo dõi và dā báo thái tiÃt nh° đã nêu trong [98, 52, 116, 59].

<b>8. Bá cāc cÿa lu¿n án </b>

Ngoài phÅn mã đÅu, phÅn kÃt luÁn và phÅn ph lc, lun ỏn gòm ba chÂng vòi bỏ cāc nh° sau.

Ch°¢ng 1 trình bày táng quan vÅ c¢ sã lý thut m¿ng IoT và các khía c¿nh liên quan đÃn tÃc nghÁn và điÅu khiÇn tÃc nghn. Cỏc nồi dung c thầ gòm: khỏi niậm m¿ng IoT, các āng dāng điÇn hình, mơ hình kiÃn trúc m¿ng tÁp trung thông tin, måt sá giao thāc lßp āng dāng cÿa IoT, vÃn đÅ tÃc nghÁn và điÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng IoT, giao thāc CoAP và các nghiên cāu cÁi tiÃn CoAP, điÅu khiÇn má và khÁ năng áp dāng vào điÅu khiÇn tÃc nghÁn m¿ng IoT, vÃn đÅ nghiên cāu cÅn giÁi quyÃt trong luÁn án.

Ch°¢ng 2 đÅ xuÃt måt giao thāc điÅu khiÇn tÃc nghÁn dāa vào tác đå đặt tên là RCoAP (Rate-based CoAP). Nåi dung chính bao gßm: xây dāng mơ hình phân tích cho CoAP đÇ tính tốn tác đå phát chi gói tin, giao thāc RCoAP vòi c ch iu khiần RCoAP, cỏc trng thái ho¿t đång và các tht tốn điÅu khiÇn, tính tốn hiËu năng RCoAP, mơ phßng và đánh giá hiËu năng RCoAP.

Ch°¢ng 3 đÅ xuÃt måt giao thāc điÅu khiÇn tÃc nghÁn dāa vào hË điÅu khiÇn má đặt tên là FCoAP (Fuzzy CoAP). Nåi dung chính bao gßm: phân tích sā biÃn thiên cÿa các đ¿i l°ÿng tác đång đÃn điÅu khiÇn tÃc nghÁn, phân tích lāa chọn đÅu vào và đÅu ra cho hË điÅu khiÇn má, thiÃt kà hË điÅu khiÇn má, giao thc FCoAP vòi c ch iu khiần, cỏc tr¿ng thái ho¿t đång và các tht tốn điÅu khiÇn, tính tốn hiËu năng FCoAP, mơ phßng và đánh giá hiËu năng FCoAP.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<b>CH¯¡NG 1. TàNG QUAN V M¾NG IoT VÀ VÂN Đ ĐIÂU KHIN TC NGHắN </b>

Nồi dung ChÂng 1 trỡnh by tỏng quan vÅ m¿ng IoT và vÃn đÅ điÅu khiÇn tÃc nghÁn. Các nåi dung đ°ÿc tÁp trung trình bày gßm: khái niËm vÅ IoT, các āng dāng IoT, mơ hình kiÃn trúc m¿ng tÁp trung thơng tin, måt sá giao thāc lßp āng dāng điÇn hình, vÃn đÅ tÃc nghÁn và điÅu khiÇn tÃc nghÁn, nhÿng h¿n chà cÿa CoAP và các nghiên cāu CoAP liên quan, điÅu khiÇn má và khÁ năng áp dāng vào điÅu khiÇn tÃc nghÁn, các vÃn đÅ nghiên cāu cÅn giÁi quyÃt trong luÁn án.

<b>1.1. Táng quan và m¿ng IoT </b>

<i><b>1.1.1. Khái niệm về IoT </b></i>

Sā ra đái cÿa Internet đã là måt cc cách m¿ng làm thay đái thà gißi, có tác đång đáng kÇ đÃn mọi l*nh vāc cÿa đái sỏng. IoT l s phỏt triần k tip vòi ý t°ãng kÃt nái mọi vÁt vßi nhau và vßi Internet đÇ tÁn dāng các thành quÁ cÿa Internet.

Theo tài liËu [56], Tá chāc viÉn thơng thà gißi ITU đã đ°a ra định ngh*a ngÃn gọn nh° sau: <IoT là một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông tin, cho phép các

<i>dịch vụ tiên tiến bằng cách liên kết các vật thể (vật lý hoặc ảo) dựa trên các công nghệ thông tin và truyền thơng hiện có và tương lai. Thơng qua việc khai thác khả năng định danh, thu thập dữ liệu, xử lý và giao tiếp, IoT tận dụng mọi thứ để cung cấp dịch vụ cho tất cả các loại ứng dụng=. Tá chāc IEEE [54] đ°a ra định ngh*a: <IoT là một mạng kết nối các vật thể được định danh duy nhất vào Internet. Các vật thể này có khả năng cảm biến/tương tác và lập trình được=. Mặc dù các định ngh*a </i>

khác nhau, song vÅ bÁn chÃt IoT đ°ÿc hiÇu là mạng kết nối các vật thể (sau đây gọi

<i>chung là thiết bị) có khả năng thu thập, xử lý và trao đổi dữ liệu thông qua Internet. </i>

M¿ng IoT håi tā các xu hòng phỏt triần trong nhiu l*nh vc khỏc nhau. Xu h°ßng håi tā cơng nghË t¿o ra các đặc tr°ng sau đây cÿa m¿ng IoT.

- Tính phá qt (ubiquitous): Mọi vÁt thÇ đÅu có khÁ năng kÃt nỏi mng mi lỳc, mi nÂi vòi chi phớ thÃp và cung cÃp các dịch vā liên quan đÃn vÁt thÇ. - Sử dāng nÅn tÁng IP: Giao thāc IP cung cÃp måt nÅn tÁng chung cho các

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

thiÃt bị kÃt nái, trao đái, chia s¿ thông tin måt cách dÉ dàng vßi chi phí thÃp. - Tính kÃt nái liên thơng: Mọi vÁt thÇ cú thầ kt nỏi vòi nhau qua mng lòi v

c¢ sã h¿ tÅng thơng tin.

- Tính đa d¿ng, khơng đßng nhÃt: ThiÃt bị đa d¿ng và khơng đßng nhÃt vì nó có phÅn cāng/phÅn mÅm, liên kÃt m¿ng khác nhau.

- Tính đa d¿ng trong giao tiÃp: Các vÁt thÇ giao tiÃp máy-máy bên c¿nh các t°¢ng tác truyÅn tháng khác (ng°ái-máy, máy-ng°ái, ng°ái-mơi tr°áng). - Tính đa d¿ng vÅ công nghË: H¿ tÅng m¿ng đa d¿ng nh° m¿ng cÁm biÃn,

m¿ng cāc bå, m¿ng di đång thà hË mßi, điËn tốn đám mây, v.v.

- Quy mơ lßn: Sá l°ÿng rÃt lßn thiÃt bị giao tip vòi nhau, lòn hÂn nhiu so vòi sá máy tính kÃt nái Internet hiËn nay. L°ÿng thơng tin truyÅn rÃt lßn.

<i><b>1.1.2. Các ứng dụng IoT </b></i>

Vßi tính thơng minh, hiËu q thiÃt thāc, IoT đã và đang đ°ÿc tích hÿp trên khÃp mọi thā, mọi n¢i con ng°ái sáng. Tă chiÃc vịng đeo tay, đß gia dāng trong nhà, mÁnh v°án °¢m h¿t giáng, cho đÃn nhÿng sinh vÁt sáng đÅu sử dāng giÁi pháp IoT [6, 101, 57]. Måt sá ví dā điÇn hình cho các āng dāng IoT trong thāc tiÉn:

 Đô thị thông minh: Dÿ liËu thu thÁp phāc vā quÁn trị dịch vā, hË tháng giao thông, bãi đã xe, đèn giao thơng, chiÃu sáng đơ thị; hã trÿ điÅu khiÇn.  Ngơi nhà thơng minh: Tā đång hóa ngơi nhà qua thu thÁp thông tin vÅ điÅu

kiËn ho¿t đång, phân tích dÿ liËu; giám sát các hË tháng trong tịa nhà; điÅu khiÇn các thiÃt bị chiÃu sáng, s°ãi Ãm, thơng gió, v.v.

 Y tà thơng minh: Theo dõi sāc khße tă xa và thơng báo khẩn cÃp; giám sát cÃy ghép đặc biËt; theo dõi sāc khße ng°ái già, bËnh nhân, v.v.

 Công nghiËp, nông nghiËp thông minh: IoT kÃt nái nh mỏy vòi quy trỡnh sn xut, iu khiần l°ßi các hË tháng cơng nghiËp, nơng nghiËp; giám sát quy trỡnh phỏt triần cõy cỏi, truy xut nguòn gác sÁn phẩm, v.v.

 Giám sát thÁm họa: Giám sát nguy c¢ thÁm họa và môi tr°áng đåc h¿i; giám sát núi lửa, cháy răng, lũ lāt, đång đÃt, v.v.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Āng dāng rång rãi cÿa IoT d¿n đÃn sá thiÃt bị kÃt nái và l°ÿng dÿ liËu cÅn chuyÇn tiÃp ngày càng lßn. ĐiÅu này thúc đẩy phát triÇn các giao thāc tÅng āng dāng đÇ bÁo đÁm truyÅn tÁi dÿ liËu hiËu quÁ, tránh mÃt mát, giÁm đå trÉ truyÅn tin [57, 102]. Nhu cÅu cÿa các āng dāng rÃt đa d¿ng. Ví dā, trong āng dāng dā báo thái tiÃt, các bÁn tin thu đ°ÿc tă các giá trị cÁm biÃn và truyÅn vÅ trung tâm. Đå trÉ thÃp quan trng hÂn mt gúi tin, cú thầ bò qua mồt sá gói tin do chúng đ°ÿc cÁp nhÁt vßi giá trị cÁm biÃn tiÃp theo. Ng°ÿc l¿i, trong āng dāng y tÃ, mÃt gói tin quan trọng h¢n là trÉ gói vì mãi giá trị cÁm biÃn biÇu thị måt tr¿ng thái khá nh¿y cÁm đái vßi bËnh nhân. Āng dāng giám sát thÁm họa thì nhiÅu lúc địi hßi cÁ trÉ thÃp và tÿ lË mÃt gói thÃp.

<i><b>1.1.3. Mơ hình kiến trúc mạng IoT </b></i>

Theo tá chāc IEEE [54], kiÃn trúc c¢ bÁn cÿa m¿ng IoT gßm 3 lßp: 1) lßp cÁm biÃn, 2) lßp liên kÃt m¿ng và truyÅn dÿ liËu, 3) lßp āng dāng. Lßp cÁm biÃn là lßp vÁt lý hay lßp thu thÁp dÿ liËu, t¿i đó các cÁm biÃn thu thÁp thông tin vÅ môi tr°áng. Lßp liên kÃt m¿ng và truyÅn dÿ liËu kÃt nái vßi các thiÃt bị khác, Internet và thiÃt bị đÅu ci, có vai trị xử lý và chun tiÃp dÿ liËu. Lßp āng dāng cung cÃp dịch vā cÿa āng dāng tßi ng°ái dùng, thāc thi āng dāng do m¿ng IoT cung cÃp.

KiÃn trúc ba lßp đ°ÿc mơ tÁ trong RFC 7927 [102] và [58] theo måt mơ hình m¿ng tÁp trung thơng tin ICN (Information Centric Networking). ICN đ°ÿc đÅ xuÃt làm h¿ tÅng m¿ng Internet mßi cho phân phái thơng tin [58, 61, 99, 102]. CoAP sử dāng kiÃn trúc ICN nh° đã chÍ ra trong tiêu chuẩn RFC 8763 (tháng 4/2020). KiÃn trúc ICN lÃy dÿ liËu làm trung tâm [58, 57], trong đó các thiÃt bị IoT thu thÁp dÿ liËu và chuyÇn qua các điÇm truy nhÁp AP (Access point) hoặc Gateway đÇ truyÅn vÅ máy chÿ ã trung tâm qua Internet [102, 57, 99]. Āng dāng kiÃn trúc m¿ng ICN cho IoT đã đ°ÿc nghiên cāu trong måt vài năm gÅn đây [102, 62, 99, 61]. Hình 1.1 mơ tÁ kiÃn trúc m¿ng ICN điÇn hình cho các āng dāng IoT thu thÁp dÿ liËu phāc vā giám sát, xử lý dÿ liËu tÁp trung t¿i trung tâm.

Trên hình 1.2, các điÇm truy nhÁp AP và Gateway t¿o thành m¿ng biên. ThiÃt bị IoT thu thÁp dÿ liËu tă môi tr°áng và truyÅn vÅ máy chÿ ã trung tâm qua các điÇm

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

truy nhÁp / Gateway và kÃt nái Internet. Đây là mô hình kiÃn trúc ICN điÇn hình theo các tài liËu chuẩn [102, 99, 58] đ°ÿc sử dāng trong luÁn án.

<i>Hình 1.1 Kiến trúc mạng ICN </i>

<i>Hình 1.2 Kiến trúc mạng ICN cụ thể cho các ứng dụng IoT </i>

<i><b>1.1.4. Tóm lược về các giao thức tầng ứng dụng của IoT </b></i>

Hình 1.3 tóm l°ÿc các giao thāc chính cÿa m¿ng IoT. Các giao thāc tÅng āng dāng và tÅng vÁn chun đóng vai trị quan trọng [58]. Chi tiÃt vÅ các giao thāc ã nhóm h¿ tÅng m¿ng nh° định tuyÃn, IPv4/IPv6, 6LoWPAN, WiFi (802.11), ZigBee (802.15), LTE-A, Z-Wave có trong các tài liËu tiêu chuẩn [56, 57].

Giao thāc tÅng āng dāng MQTT AMQP XMPP CoAP Giao

thāc h¿ tÅng m¿ng

Giao thāc tÅng m¿ng Định tuyÃn, IPv4/IPv6, 6LoWPAN Giao thāc liên kÃt WiFi (802.11), ZigBee (802.15),& Giao thāc tÅng vÁt lý LTE-A, ZigBee, Z-Wave,&

<i>Hình 1.3 Sơ đồ tóm lược các giao thức chính của IoT </i>

Ph¿m vi luÁn án chÍ tÁp trung vào giao thāc tÅng āng dāng và giÁi pháp điÅu khiÇn tÃc nghÁn tă đÅu ci tßi đÅu ci. Vì vÁy, ln ỏn s trỡnh by c thầ hÂn v cỏc giao thāc tÅng āng dāng. Các giao thāc tÅng āng dāng c¢ bÁn nhÃt đã chuẩn hóa

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

gßm: MQTT, AMQP, XMPP, và CoAP.

<b> Giao thāc MQTT </b>

MQTT [92] là måt giao thāc lßp āng dāng h¿ng nhẹ, dùng đÇ thu thÁp dÿ liËu tă thiÃt bị IoT và gửi vÅ máy chÿ. MQTT tiờu th nguòn thp, cú thầ truyn d liậu hiËu q tßi måt sá máy đích. MQTT dùng kiÃn trúc đẩy – kéo, ngh*a là quÁng bá dÿ liËu - đặt hàng dÿ liËu. MQTT ho¿t đång trên tÅng TCP nên hã trÿ truyÅn tin cÁy. Tuy nhiờn, ồ trẫ gúi tin cú thầ lòn do phÁi phát l¿i nhiÅu lÅn khi m¿ng nhiÅu lãi. Mặt khác, TCP phÁi dùng gói tin bá sung đÇ thiÃt lÁp và duy trì kÃt nái, d¿n tßi ồ trẫ tng, tiờu th nguòn lòn hÂn, mc ồ rÿi ro có lãi khi truyÅn cao.

<b> Giao thāc AMQP </b>

AMQP [30] là måt giao thāc trao đái bÁn tin hã trÿ truyÅn tin cÁy. AMQP chÿ u ho¿t đång trong mơi tr°áng định h°ßng bÁn tin, bá trÿ cho giao thāc truyÅn tÁi siêu văn bÁn HTTP (Hypertext Transfer Protocol). AMQP áp dāng cho nhiÅu kiÇu kiÃn trúc m¿ng nh°: quÁng bá, l°u trÿ, chuyÇn tiÃp, định tuyÃn bÁn tin. AMQP cũng dāa trên TCP, nên cũng có trÉ gói lßn và ho¿t đång bị Ánh h°ãng nhiÅu trong môi tr°áng m¿ng có lãi, mÃt gói cao.

<b> Giao thāc XMPP </b>

XMPP [53] là måt giao thāc truyÅn bÁn tin tc thỏi, c chuyần ỏi t truyn luòng tin dāa vào ngôn ngÿ đánh dÃu mã rång XML (Extensible Markup Language) đÇ dùng cho IoT. Nó cho phép trao đái theo thái gian thāc dÿ liËu có cÃu trúc giÿa các vÁt thÇ. ThiÃt bị IoT kÃt nái vßi máy chÿ và truyÅn các bÁn tin da vo luòng tin kiầu XML. XMPP s dāng định d¿ng dÿ liËu XML nên có tiêu phí mào đÅu lßn. XMPP ho¿t đång dāa vào cÁ TCP và XML, nên nó có nh°ÿc điÇm cÿa TCP và không hiËu quÁ trong môi tr°áng m¿ng IoT.

<b> Giao thāc CoAP </b>

CoAP là giao thāc lßp āng dāng đ°ÿc tá chāc IETF chuẩn hóa trong RFC7252 [100] cho m¿ng IoT. CoAP trã thành chuẩn Internet năm 2014. Khác vßi các giao thāc khác, CoAP ho¿t đång dāa trên UDP, có cÃu trúc và tiêu đÅ gói tin đ¢n giÁn. CoAP là måt giao thāc h¿ng nhẹ đ°ÿc xây dāng dāa theo mơ hình chun tr¿ng

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

thái đ¿i diËn REST (Representational State Transfer) đÇ sử dāng cho thiÃt bị có năng lāc xử lý và tài nguyên h¿n chà trong m¿ng IoT [100, 99, 117]. CoAP sử dāng cách thāc gửi yêu cÅu và phÁn hßi giÿa các nút đÅu cuái. Theo tài liËu RFC 7252 [100], CoAP có thÇ dÉ dàng ánh x¿ sang HTTP đÇ biÇu thị thơng tin lên trang Web. CoAP cung cÃp hai chà đå ho¿t đång: tin cÁy và không tin cÁy. Trong truyÅn tin cÁy, bên gửi sÁ phát l¿i gói tin khi phát hiËn gói tin đã gửi tr°ßc đó khơng đÃn đích, ngh*a là gói tin bị mÃt. Khi phÁi phỏt li, ồ trẫ gúi tin cú thầ lòn. Ngc l¿i, chà đå trun khơng tin cÁy khơng địi hßi phát l¿i gói tin khi có mÃt mát. Tÿ lË mÃt gói tin có thÇ cao khi mơi tr°áng m¿ng có nhiÅu lãi.

<b>1.2. TÁc ngh¿n và nguyên nhân tÁc ngh¿n </b>

<i><b>1.2.1. Khái niệm tắc nghẽn mạng </b></i>

TÃc nghÁn là måt hiËn t°ÿng phá biÃn trên m¿ng vßi các dÃu hiËu: đå trÉ và tÿ lË rßt gói tin tăng nhanh, thơng l°ÿng sāt giÁm nhanh. M¿ng Internet thiÃt kà theo cách l°u trÿ và chun tiÃp, ngh*a là các gói tin đÃn đ°ÿc l°u vào bå đËm nút m¿ng, chá xử lý đÇ đ°a ra khßi nút m¿ng theo måt tuyÃn đ°áng đã chọn đÇ đÃn đích. NÃu l°ÿng gói tin đÃn càng lßn, thái gian nghÁn m¿ng càng kéo dài, sá gói tin bị lo¿i bß do hÃt chã l°u càng nhiÅu, d¿n đÃn nguy c¢ m¿ng tê liËt hồn tồn.

<i>Hình 1.4 Mối quan hệ giữa các đại lượng a) theo thời gian, b) theo tải lưu lượng </i>

Hình 1.4a biầu th tỡnh huỏng tc nghn vòi ồ trẫ và tÿ lË rßt gói theo thái gian. Hình 1.4b mô tÁ mái quan hË giÿa đå trÉ, thông lng tÂng ng vòi ti lu lng (sỏ gúi tin gửi vào m¿ng). TÃc nghÁn xuÃt hiËn trong khoÁng [T<i><small>1</small>, T₂] v</i>ßi đå trÉ, tÿ l<i>Ë rßt gói tng nhanh vòi ti lu lng. Ti thỏi iầm T<small>2</small></i> m¿ng gÅn nh° tÃc nghÁn hoàn toàn, đå trÉ và tÿ lË mÃt gói trã lên rÃt lßn. Khi tÃc nghÁn hồn tồn, tÃt cÁ các gói tin đÅu bị rßt.

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<i><b>1.2.2. Nguyên nhân tắc nghẽn mạng </b></i>

TÃc nghÁn xÁy ra do nhiÅu nguyên nhân, song chÿ yÃu là: 1) tác đå phát cÿa bên gửi v°ÿt quá băng thông cÿa liên kÃt m¿ng trong tuyÃn tă đÅu cuái tßi đÅu cuái; 2) bå đËm l°u trÿ t¿m thái gói tin đÇ chuyÇn tiÃp ã các nút trung gian bị quá tÁi d¿n đÃn tràn bå đËm; 3) các nút m¿ng (kÇ cÁ nút trung gian và nút đích) khơng kịp xử lý các gói tin đÃn.

Hình 1.5 mụ t mồt vớ d Ân gin vòi 4 đo¿n liên kÃt. Đo¿n A-B và D-E là các liên kÃt WiFi có băng thơng 2 Mbps, đo¿n B-C có băng thơng 10 Mbps, đo¿n C-D có băng thơng 1 Mbps (do đo¿n C-D có thÇ bị chia s¿ cho nhiÅu kÃt nái khác). Đo¿n C-D đ°ÿc gọi là băng thông cá chai (Bottleneck bandwidth). Bên gửi ch cú thầ phỏt vòi tỏc đå 1 Mbps, bằng băng thông cá chai. NÃu bên gửi phát quá 1 Mbps, tÃc nghÁn sÁ xÁy ra. Băng thơng cá chai cũng có thÇ bÃt kỳ đo¿n nào tùy vào biÃn thiên tÁi l°u l°ÿng. Vị trí băng thơng cá chai biÃn đång, viËc xác định băng thơng cá chai khơng đ¢n giÁn do sá kÃt nái liên tāc thay đái ng¿u nhiên theo thái gian.

<i>Hình 1.5 Ví dụ về trường hợp nghẽn cổ chai </i>

<i><b>1.2.3. Tắc nghẽn mạng IoT </b></i>

Ngoài các nguyên nhân tÃc nghÁn đã nêu ã 1.2.2, m¿ng IoT có thêm các nguy c¢ gây tÃc nghÁn khác do: 1) mÃt gói do lãi kênh vơ tun; 2) h¿n chà tài nguyên cÿa thiÃt bị IoT; 3) tính đa d¿ng cÿa kÃt nái m¿ng; 4) yêu cÅu băng thông cÿa đa d¿ng āng dāng; 5) khÁ năng xuÃt hiËn chuãi gói cao.

<i><b> Mất gói do lỗi kênh vơ tuyến </b></i>

Khác vßi m¿ng Internet trun tháng, m¿ng IoT gßm nhiÅu chặng vơ tun và phā thc nhiÅu vào mơi tr°áng vơ tun. MÃt gói trong IoT có thÇ do nhiÉu, lãi kênh vơ tun hoặc suy giÁm tín hiËu vơ tun. TCP [105] nhÁn biÃt tÃc nghÁn kÇ cÁ khi có mÃt gói do lãi kênh vơ tun và giÁm cửa sá d¿n đÃn hiËu suÃt truyÅn thÃp và tiêu phí tài ngun vơ tun. NhiÅu nghiên cāu đã chÍ ra TCP có h¿n chà trong

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

IoT, cÅn có cÁi tiÃn [45, 105, 103, 32, 112].

<i><b> Hạn chế tài nguyên của các thiết bị IoT </b></i>

ThiÃt bị IoT th°áng h¿n chà vÅ tài nguyên (bå đËm, năng lāc xử lý, băng thơng, ngn pin), d¿n đÃn nguy c¢ tràn bå đËm hoặc v°ÿt tác đå xử lý. H¿n chà vÅ tài nguyên nên khú ỏp dng cỏc c ch phc tp ầ xỏc định tÃc nghÁn [65]. Mặt khác, c¢ chà điÅu khiần cn Ân gin, gn nh, tiờu tỏn ớt ti nguyên và năng l°ÿng, đ¿t hiËu quÁ cao đÇ triÇn khai trên thiÃt bị IoT [7, 15, 86, 99].

 <i><b>Tính đa dạng của kết nối mạng </b></i>

KÃt nái m¿ng cÿa các thiÃt bị IoT đa d¿ng vßi nhiÅu phân đo¿n m¿ng. Sá l°ÿng kÃt nái gia tăng đåt biÃn d¿n đÃn l°ÿng dÿ liËu truyÅn tÁi cú thầ rt lòn. Cỏc tham sỏ ny bin thiên đång khiÃn cho khó xác định tÃc nghÁn [57, 112, 9, 85, 7].

<i><b> Yêu cầu băng thông đa dạng của các ứng dụng IoT </b></i>

Yêu cÅu vÅ băng thông cÿa các āng dāng IoT khá đa d¿ng. Kích cỡ gói tin trong m¿ng IoT nhß. Do vÁy, viËc xác định tÃc nghÁn và cửa sá tÃc nghÁn khó khăn [11, 9, 75, 96].

<i><b> Khả năng xuất hiện chuỗi gói cao </b></i>

Lãi hay nhiÉu kênh vô tuyÃn d¿n đÃn gián đo¿n kÃt nái trong nhÿng khoÁng thái gian ngÃn (ví dā do suy giÁm tín hiËu hoặc do vÁt cÁn chÃn t¿m thái) gây ra mÃt gói. Sau khi kênh truyÅn đ°ÿc khôi phāc l¿i, khÁ năng xuÃt hiËn các chuãi gói cao do các gói tin chá trong bå đËm sÁ đ°ÿc phát l¿i liên tiÃp. Chuãi gói tin cũng xuÃt hiËn khi có sā biÃn thiên cÿa kÃt nái m¿ng, ngh*a là khi l°ÿng gói tin dßn ā ã nút tr°ßc đá dßn vÅ nút kà tiÃp. Trong m¿ng IoT, sā biÃn thiên cÿa băng thông và khÁ năng xuÃt hiËn chuãi gói tin cao là điÅu khó tránh khßi [99, 57, 103].

<b>1.3. ĐiÃu khiÅn tÁc ngh¿n </b>

<i><b>1.3.1. Điều khiển vòng hở và điều khiển vịng kín </b></i>

Theo [68, 48, 45], cỏc c ch iu khiần tc nghn cho m¿ng Internet truyÅn tháng chia thành hai nhóm: 1) ĐiÅu khiÇn vịng hã (có hã trÿ cÿa m¿ng) và 2) ĐiÅu khiÇn vịng kín (dāa vào trao đái giÿa hai đÅu ci, khơng có hã trÿ cÿa m¿ng). ĐiÅu khiÇn vịng hã khơng dāa vào thơng tin phÁn hßi cÿa bên nhÁn, mà chÍ dāa

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

vào các nút trung gian. Nhóm này là dāa vào qn lý bå đËm tích cāc đÇ tránh tràn bå đËm [42], hoặc dāa vào tÅng điÅu khiÇn truy cÁp [118, 110, 109] hay tÅng liên kÃt [94, 39, 26, 16, 116]. ĐiÅu khiÇn vịng kín chÍ dāa vào trao đái thơng tin giÿa bên gửi và bên nhÁn. Gói tin phÁn hßi ACK khẳng định đã nhÁn đ°ÿc gói tin gửi đi. Cú thầ nhn thy, c ch iu khiần tc nghÁn cÿa TCP, các giao thāc t°¢ng tā TCP và cÿa CoAP đÅu cũng thc nhóm điÅu khiÇn vịng kín.

<i><b>1.3.2. Điều khiển dựa cửa sổ và điều khiển dựa tốc độ </b></i>

 <i><b>Điều khiển dựa ca s </b></i>

<i>CÂ ch iu khiần ca TCP da vo cửa sá. Cửa sá W biÇu thị sá l°ÿng gói tin </i>

tái đa đ°ÿc phát vào m¿ng. Các gói tin đang truyÅn trên m¿ng đ°ÿc gọi là gói

<i>inflight</i>, là các gói tin đã phát đi song bên gửi v¿n ch°a nhÁn đ°ÿc ACK cho chúng. Bên gửi cÅn phát sao cho táng sỏ gúi tin inflight nhò hÂn W. CÂ ch da cửa sá cÿa

<i>TCP là tăng cång/giÁm nhân (hình 1.6). W sÁ tăng cång khi khơng có tÃc nghÁn và </i>

giÁm måt nửa khi khơng có tÃc nghÁn (khơng có mÃt gói xÁy ra).

<i>Hình 1.6 Cơ chế tăng cộng – giảm nhân của TCP </i>

Các phiên bÁn cÿa TCP đÅu dāa trên c¢ chà cửa sá, song có thêm các cÁi tiÃn cách tính RTT, RTO, cách xác định mÃt gói, v.v. [48, 3, 12]. C¢ chà dāa cửa sá có h<i>¿n chà khi truyÅn chuãi gói [84, 3, 7]. Cửa sá W có thÇ tăng nhanh d¿n đÃn biÃn </i>

đång trÉ lßn, thơng l°ÿng giÁm đáng kÇ [85, 68].

<i><b> Điều khiển dựa tốc độ </b></i>

C¢ chà dāa tác đå phÁn āng linh ho¿t hÂn vòi tc nghn [51, 64, 68]. C ch này đặt tác đå phát ban đÅu dāa vào tính tốn băng thơng cá chai. Trong q trình kÃt nái, tác đå phát đ°ÿc điÅu chÍnh phù hÿp vßi tr¿ng thái m¿ng. Tác đå phát có thÇ tăng nÃu không thÃy tÃc nghÁn, giÁm nhanh hoặc chÁm tùy vào tr¿ng thái m¿ng

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

và nguy c¢ tÃc nghÁn. Tác đå phát đ°ÿc tính theo cơng thāc dāa vào tÿ lË mÃt gói, RTT, kích th°ßc gói tin lßn nhÃt. Giao thāc TCP dāa vào tích băng thơng cá chai và thái gian quay vòng BBR-TCP (Bottleneck Bandwidth and Round-trip time TCP) [27], các giao thāc t°¢ng tā TCP [97, 44, 51] là vớ d iần hỡnh cho nhúm c ch da tỏc ồ. Kho sỏt v c ch iu khiần da tác đå cho m¿ng IoT đ°ÿc nêu trong [72, 85, 96]. Theo [27], các c¢ chà dāa tác đå cú u iầm hÂn c ch da ca sỏ.

<i><b>1.3.3. Điều khiển tắc nghẽn mạng IoT </b></i>

Các c¢ chà điÅu khiÇn vịng kín trong m¿ng IoT đ°ÿc chia làm ba lo¿i: 1) dāa vào mÃt gói, 2) dāa vào đå trÉ, 3) dāa vào tác đå [48, 68].

 <i><b>Các cơ chế dựa vào mất gói </b></i>

C¢ chà dāa vào mÃt gói (loss-based) sử dāng mÃt gói làm chÍ báo tÃc nghÁn. RTO đ°ÿc bên gửi đặt mãi khi phát måt gói tin mßi. Khi quá thái gian RTO mà bên gửi v¿n ch°a nhÁn đ°ÿc ACK thì bên gửi sÁ coi gói tin đã phát bị mÃt trên đ°áng tßi đích. CÅn l°u ý là ACK cũng có thÇ mÃt trên đ°áng quay vÅ bên gửi. MÃt gói cũng có thÇ phát hiËn thông qua khoÁng cách trong sá thā tā gói tin nhÁn đ°ÿc [49, 63, 42]. C¢ chà dāa vào mÃt gói đ°ÿc sử dāng phá biÃn trong CoAP [100] và måt sá cÁi tiÃn cÿa nó [14, 22, 77, 21]. Các c¢ chà dāa vào mÃt gói chÍ kích ho¿t khi xÁy ra mÃt gói. Hn ch lòn nht ca chỳng l cn cú c ch bỏ sung ầ phỏt hiận sòm mt gúi, tránh bị mÃt gói liên tiÃp khi tÃc nghÁn trã nên nghiêm trọng [42, 115].  <i><b>Các cơ chế dựa vào độ trễ </b></i>

C¢ chà dāa vào đå trÉ (delay-based hoặc RTT-based) sử dāng thái gian trÉ gói, RTT đÇ dā đốn tÃc nghÁn m¿ng. Đå trÉ hoặc RTT càng lßn, tÃc nghÁn càng nghiêm trọng. RTT đ°ÿc định ngh*a là thái gian tă lúc phát måt gói tin cho đÃn khi bên gửi nhÁn đ°ÿc Đå trÉ là thái gian tă lúc gửi gói tin đÃn thái điÇm gói tin đó đÃn đích. Dāa vào đå trÉ hoặc RTT, bờn gi tớnh toỏn nguy c tc nghn mng ầ hiËu chÍnh cửa sá phát (sá gói tin phát đi trong måt khoÁng thái gian) hoặc tÁi l°u l°ÿng sau mãi RTT. C¢ chà dāa đå trÉ đ°ÿc dùng trong måt sá cÁi tiÃn cÿa TCP nh° [64, 46, 47, 87, 81] và trong RTT-CoAP [9].

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

 <i><b>Các cơ chế dựa vào tốc độ </b></i>

C¢ chà dāa vào tác đå (rate-based) thāc hiËn đo l°áng RTT, tÿ lË mÃt gói, thơng l°ÿng đÇ dā đốn tÃc nghÁn và hiËu chÍnh tác đå phát đÇ tránh tÃc nghÁn. C¢ chà này t°¢ng đái giáng c¢ chà dāa vào đå trÉ vì đÅu sử dāng RTT. ĐiÇm khác biËt giÿa chúng là đái t°ÿng điÅu khiÇn. C ch da ồ trẫ ch kiầm soỏt kớch thòc cửa sá (window-based) [64], cịn c¢ chà dāa tác đå thì điÅu khiÇn tác đå phát [97, 44, 51, 90, 27]. Trong m¿ng IoT, c¢ chà dāa tác đå đã đ°ÿc đÅ xuÃt trong [10, 11, 69].

C¢ chà dāa tác đå có °u điÇm vÅ khÁ năng duy trì đå trÉ thÃp, thơng l°ÿng cao [10, 27, 93]. Khỏc vòi c ch da vo mt gúi, c¢ chà dāa tác đå có khÁ năng phát hiËn sßm tÃc nghÁn và điÅu chÍnh tác đå phát ầ trỏnh hoc gim bòt tc nghn.

<b>1.4. iu khin mé và khÁ nng áp dāng cho điÃu khiÅn tÁc ngh¿n </b>

<i><b>1.4.1. Logic mờ </b></i>

Zadeh [123] đ°a ra lý thuyÃt má tă năm 1965 và đ°ÿc Mamdani [83] áp dāng vào hË tháng điÅu khiÇn thāc tiÉn. KÇ tă đó, lý thuyÃt má đã đ°ÿc āng dāng vào nhiÅu l*nh vāc. Theo lý thuyÃt này, logic má là måt d¿ng logic nhiÅu giá trị khác vßi logic Bool chÍ dùng <0= và <1=. Logic má xử lý nhiÅu tr¿ng thái h¢n, khơng chÍ nhÿng tr¿ng thái rõ nh° <0/1=, đúng/sai mà còn các tr¿ng thái trung gian và sā chuyÇn dịch cÿa chúng.

<i><b> Tập mờ </b></i>

TÁp má là måt khái niËm c¢ bÁn cÿa logic má. TÁp má đ°ÿc định ngh*a là måt lßp các đái t°ÿng mà khơng có ranh gißi rõ ràng giÿa các đái t°ÿng thc lßp đó hay lßp khác [17]. Zadeh [123] định ngh*a tÁp hÿp A cÿa tÃt cÁ các cặp (x, <i>_A(x)) </i>

<i>A = { x, </i><i>_A(x) } với x </i><i> X </i> (1.1)

<i>Trong đó, A gọi là tÁp má trên tÁp nÅn X; </i><i>_A(x): X </i>  là måt hàm thāc đ°ÿc gọi là hàm thuåc; <i>_A(x) cÿa mãi x </i><i> X </i>đ°ÿc gọi là đå thuåc, <i>_A(x) </i><i> [0,1]. Ví d</i>ā, vßi tÁp nÅn X = {D<i><small>1</small>, D₂, D₃}. GiÁ sử <nhỏ= là måt tÁp má cÿa biÃn đå trÉ trên tÁp </i>

nÅn X và <nhỏ= = {(D<i><small>1</small>,0.95), (D₂,0.1)}. Ta có: </i>

<i>_nhỏ(D₁) = 0.95 = 95% ngh*a là D<small>1</small> có 95% thuåc tÁp <nhỏ<. </i>

<i>_nhỏ(D₂) = 0.1 = 10% ngh*a là D<small>2</small></i> ch<i>Í có 10% thc tÁp <nhỏ<, tāc là phÅn </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

lßn D<i><small>2</small></i> khơng nhß.

<i>_nhỏ(D₃) = 0 = 0% ngh*a là D<small>3 </small></i>hồn tồn khơng nhß.

<i><b> Các dạng hàm thuộc thường gặp </b></i>

Có nhiÅu cách biÇu diÉn hàm thc: có thÇ là hàm liên tāc, rái r¿c trong đó có thÇ tun tính, tun tính tăng đo¿n hoặc phi tuyÃn. Cách đ¢n giÁn là sử dāng các d¿ng tam giác, hoặc hình thang (hình 1.7).

<i>Hình 1.7 Cách biểu diễn hàm thuộc a) hình thang, b) hình tam giỏc </i>

Vòi hỡnh thang, cỏc iầm a, b, c, d biÇu thị tọa đå trāc x cÿa måt hàm thuåc

<i> trong tÁp M = (a, b, c, d) nh° hình 1.7a, vßi a là biên trái, d là biên phÁi khi đå thuåc có giá trị 0, cịn [b, c] là måt khng khơng đái, t¿i đó đå thc có giá trị </i>

bằng 1. Vßi hình tam giác, các điÇm a, m, d biÇu thị tọa đå trāc x cÿa måt hàm thu<i>åc trong tÁp M = (a, m, d) nh° hình 1.7b vßi a là biên trái, d là biên phÁi khi đå thuåc có giá trị 0, cịn m là tọa đå cÿa đÍnh tam giác khi đå thuåc có giá trị 1. </i>

<i><b> Tốn tử mờ </b></i>

Có nhiÅu tốn tử logic má, song trong ph¿m vi ln án, phÅn này chÍ trình bày hai toán tử quan trọng nhÃt đ°ÿc sử dāng là AND và OR. Toán tử AND là toán tử giao hay tốn tử min biÇu thị miÅn giao nhau cÿa hai tÁp má A và B. Công thāc phá biÃn nhÃt cÿa toán tử AND là:

{ <small> </small> } (1.4) Toán tử OR là toán tử hÿp hay tốn tử max biÇu thị miÅn hÿp nhau cÿa hai tÁp

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

má A và B. Công thāc phá biÃn nhÃt cÿa toán tử OR là:

{(  |  ( <i> ))} (1.5)</i>

<i><b> Các biến ngôn ngữ </b></i>

Theo [126], các biÃn ngôn ngÿ là các biÃn mà giá trị cÿa chúng là tă ngÿ hoặc câu theo kiÇu ngơn ngÿ tā nhiên. Måt biÃn ngôn ngÿ đ°ÿc đặc tr°ng bãi 3 phÅn

<i>chính (V, X, T_V) [1, 2], trong đó V là måt biÃn ngôn ngÿ trên tÁp tham chiÃu X. TÁp T_V = {A₁, A₂,…} gßm hÿu h¿n hoặc vơ h¿n các tÁp con má đ°ÿc chuẩn hóa cÿa X dùng đÇ đặc tr°ng cho V. A<small>i</small></i> đ°ÿc ký hiËu đßng thái cho cÁ h¿ng thāc ngơn ngÿ (nhß, trung bình, lßn,&) và tÁp con má kÃt hÿp vßi nó. Ví dā, måt biÃn ngơn ngÿ V có tên là <i><Độ trễ= đ°ÿc xác định trên tÁp X là tÁp các giá trị thāc cÿa đå trÉ. T<small>Độ trễ</small></i>

<i>= {rất lớn, lớn, trung bình, nhỏ, rất nhỏ}, trong đó <rất lớn=, <lớn=, &là các tÁp </i>

má con A<i><small>i</small></i> trên nÅn X xác định các gißi h¿n cÿa nhÿng giá trị biÃn V lÃy trong X.

<i><b>1.4.2. Điều khiển mờ  Cấu trúc chung </b></i>

ĐiÅu khiÇn má là måt trong nhÿng l*nh vāc āng dāng chính cÿa logic má. Nó giúp con ng°ái có thÇ điÅu khiần hậ thỏng nhanh v Ân gin trờn c só các giá trị khơng chính xác cÿa q trình mà khơng cÅn biÃt chính xác mơ hình tốn học cÿa q trình. Nó có thÇ điÅu khiÇn cÁ nhÿng q trình mà các thơng sá cÿa nó rÃt khó hoặc phÅn nào khơng xác định đ°ÿc. ĐiÅu khiÇn má đặc biËt m¿nh trong các hË tháng phi tuyÃn, hË tháng điÅu khiÇn mà các thông tin đÅu vào hoặc đÅu ra không đÿ hoặc khơng chính xác. Thơng tin chi tiÃt vÅ các hË điÅu khiÇn má có thÇ xem trong các tài liËu nh°: [123, 17] vÅ các tÁp má, [124, 83] vÅ các bå điÅu khiÇn má, [31, 126] vÅ đå thuåc và các hàm thuåc, [83, 126, 91] vÅ quan hË má, các biÃn ngôn ngÿ, luÁt má, tiÃn trình má hóa, đång c¢ suy diÉn và tiÃn trình giÁi má.

<i>Hình 1.8 Mơ hình hệ thống điều khiển mờ </i>

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Måt hậ iu khiần mỏ gòm 4 thành phÅn chính nh° trên hình 1.8 [83, 126]. Khái má hóa biÃn đái các giá trị rõ đÅu vào thành måt hoặc nhiÅu tÁp má vßi hàm thc đã chọn āng vßi các biÃn ngơn ngÿ đã định ngh*a. Khái luÁt má bao gßm các tÁp luÁt <nếu…thì= dāa trên phép suy diÉn tă các quan hË má thích hÿp vßi tăng biÃn và các giá trị biÃn ngơn ngÿ. Mơ t¢ suy diÉn biÃn đái các giá trị má hóa đÅu vào thành các giá trị cÿa biÃn ngôn ngÿ đÅu ra theo các luÁt má. Khái giÁi má biÃn đái các giá trị má đÅu ra thành các giá trị rõ đÇ điÅu khiÇn đái t°ÿng.

<i><b> Khối mờ hóa </b></i>

Kh<i>ái này ánh x¿ tÁp các giá trị thāc x </i><i> R thành t</i>Áp các giá trị má vßi hàm thuåc <i>(x). Nh</i>ÿng giá trị rõ sÁ đ°ÿc sÃp xÃp vào tÁp mỏ vòi nhng ồ thuồc <i>_i</i>

tÂng ng. Cỏc b°ßc thāc hiËn gßm: 1) Định ngh*a các biÃn ngơn ngÿ āng vßi các tÁp má cÿa đÅu vào và đÅu ra, 2) Xác định hàm thuåc cÿa các tÁp má đã đ°ÿc định ngh*a, 3) Đọc đå thuåc tă nhÿng giá trị rõ đã biÃt.

<i><b> Khối luật mờ </b></i>

LuÁt má c¢ sã là luÁt chāa måt tÁp các luÁt "Nếu... Thì”. Các lo¿i hË má gßm: 1) Måt đÅu vào x<i><small>0</small></i> và måt đÅu ra y (SISO - Single Input, Single Output); 2) NhiÅu

<i>đÅu vào x<small>i</small> (i=1..m) và måt đÅu ra y (MISO - Multiple Inputs, Single Output); 3) </i>

NhiÅu đÅu vào x<i><small>i</small> (i=1..m) và nhiÅu đÅu ra y<small>k</small>, (k=1..n) (MIMO - Multiple Inputs, </i>

Multiple Outputs)). Vßi R là luÁt, A và B là các tÁp má, hË má MISO có khái luÁt

HË má MIMO vßi m đÅu vào, n đÅu ra: Có thÇ tách thành n hË, mãi hË có m đÅu

<i>vào và 1 đÅu ra. Tùy theo sá đÅu vào và sá đÅu ra, måt hË điÅu khiÇn má có thÇ là </i>

SISO, MISO hoặc MISO. Sá l°ÿng đÅu vào và đÅu ra là tùy vào māc đå phāc t¿p cÿa hË tháng và yêu cÅu cÿa āng dāng. Tuy nhiên đÇ khơng phāc t¿p khi tính tốn đÅu ra hË điÅu khiÇn má th°áng đ°ÿc lāa chọn phá biÃn là MISO.

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

<i><b> Khối mơ tơ suy diễn </b></i>

Mơ-t¢ suy diÉn có nhiËm vā dāa vào các tÁp má đÅu vào và tÁp các luÁt má trong khái luÁt má t¿o thành tÁp má đÅu ra. Ký hiËu  ngh*a là ánh x¿ tÁp má đÅu vào thành tÁp má đÅu ra theo các luÁt má sẵn có. Gọi A là tÁp má đÅu vào; B là tÁp má đÅu ra. Các suy luÁn A <i> B </i>đ°ÿc thāc hiËn qua các hàm thuåc <i>_A(x), </i><i>_B(y) và </i>

<i>_R(x,y), R là quan h</i>Ë má giÿa A và B. Có ba ph°¢ng pháp suy diÉn má phá biÃn là max – min, max – prod và singlenton, trong đó ph°¢ng pháp max – min đ°ÿc dùng phá biÃn do đ¢n giÁn và tác đå tính tốn nhanh. Cách tính đå thc cÿa kÃt q theo ph°¢ng pháp max – min nh° sau:

<i><b> Khối giải mờ </b></i>

GiÁi má là tiÃn trình t¿o ra các giá trị rõ là đ¿i l°ÿng đÅu ra cÿa hË điÅu khiÇn má tă các kÃt quÁ má do mơ t¢ suy diÉn cung cÃp. Có nhiÅu ph°¢ng pháp ầ gii mỏ nh: phÂng phỏp cc i, phÂng pháp trọng tâm, ph°¢ng pháp Singletons. Tuy nhiên ph°¢ng pháp đ°ÿc dùng phá biÃn nhÃt là ph°¢ng pháp trọng tâm (CoG- Center-of-Gravity). Các giá trị rõ ã đÅu ra đ°ÿc lÃy theo điÇm trọng tâm cÿa hình bao bãi hàm thuåc cÿa đÅu ra và trāc hoành theo công thāc sau.

<small>+ </small>

<i>Trong đó, S là miÅn xác định cÿa tÁp má đÅu ra y, y là các giá trị rõ cÿa đÅu ra. </i>

ĐÇ tránh phāc t¿p khi phi tớnh tớch phõn, phÂng phỏp CoG cú thầ tính xÃp xÍ bằng

<i>ph°¢ng pháp tính trung bình tâm theo cơng thāc sau vßi y<small>i</small></i> là tọa đå cÿa trọng tâm tÁp má thā i trong tÁp hÿp thành cÿa đÅu ra:

<small>∑</small> <small> </small>

<i><b>1.4.3. Khả năng áp dụng điều khiển mờ cho điều khiển tắc nghẽn </b></i>

ĐiÅu khiÇn má đã đ°ÿc áp dāng vào điÅu khiÇn tÃc nghÁn trong nhiÅu nghiên cāu tr°ßc đây [70, 33, 65, 113, 29, 125] và måt sá nghiên cāu mßi đây [98, 4, 35, 5]. TÃc nghÁn là måt khái niËm không thāc sā rõ ràng, có sā chßng lÃp. Tr¿ng thái

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

tÃc nghÁn m¿ng có thÇ rÃt thÃp, thÃp, trung bình, cao, rÃt cao, v.v. Các tham sá xác định tÃc nghÁn đa d¿ng và có đå biÃn thiên cao, rÃt khó xác định rõ ràng. Khó có thÇ đ°a ra måt mơ hình tính tốn chính xác cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn trong điÅu kiËn m¿ng đång, biÃn thiên liên tāc cÿa các tham sá liên quan nh° đå trÉ, sá l°ÿng kÃt nái, l°u l°ÿng, v.v. Tính không chÃc chÃn cÿa các tham sá nh° băng thông sẵn dùng, băng thông cá chai, v.v. cũng t¿o thêm khó khăn cho điÅu khiÇn. Bãi vÁy, điÅu khiÇn má đã đ°ÿc nhiÅu nghiên cāu lāa chọn đÇ điÅu khiÇn tÃc nghÁn.

Keshav [70] đã chÍ ra thách thāc trong °ßc tính tham sá khi m¿ng biÃn đång. Måt bå điÅu khiÇn má đã c xut ầ òc tớnh cỏc tham sá chuãi thái gian nhằm hiËu chÍnh tác đå phát. Các tác giÁ [33] đÅ xuÃt c¢ chà Fuzzy-RED dāa vào biÃn thiên cÿa kích th°ßc bå đËm đÇ dā đốn tÃc nghÁn do tràn bå đËm trong m¿ng. Bài báo [39] đÅ xuÃt sử dāng bå điÅu khiÇn má đÇ dā đốn tÃc nghÁn cho TCP. C ch iu khiần mỏ trong [65] s dāng māc đå chiÃm dāng bå đËm, tác đå phát gói, sá nút m¿ng tham gia đÇ xác định māc đå tÃc nghÁn m¿ng cÁm biÃn không dây. Các tác giÁ [98] đÅ xuÃt kÃt hÿp c¢ chà qn lý bå đËm tích cāc vßi måt bå điÅu khiÇn má đÇ hiËu chÍnh tác đå phát cho tăng nút trong m¿ng cÁm biÃn không dây, sử dāng sā khác biËt vÅ kích th°ßc bå đËm và biÃn thiên trÉ t¿i mãi nút m¿ng. Måt hË điÅu khiÇn má đÅ xuÃt trong [113] sử dāng sá nút m¿ng t°¢ng tranh, tÿ lË chiÃm dāng bå đËm cÿa các nút ã chặng kà tiÃp, tÁi l°u l°ÿng cÿa các lußng tin video qua m¿ng cÁm bin khụng dõy. C ch iu khiần mỏ trong [29] đÅ xt định tun sử dāng kích th°ßc bå ậm v ca sỏ tc nghn vòi c ch qun lý bå đËm tích cāc.

Måt sá nghiên cāu đÅ xuÃt āng dāng điÅu khiÇn má đÇ lāa chọn tuyÃn kÃt nái [125, 4, 52]. Trong [125], måt bồ iu khiần mỏ ầ nh tuyn s dng c chà quÁn lý bå đËm tích cāc cho m¿ng cÁm biÃn khơng dây. Mơ hình điÅu khiÇn tách biËt các nút m¿ng bị lãi khi định tuyÃn đÇ gim thiầu tc nghn. Trong [4], mồt c ch RED sử dāng māc °u tiên má đ°ÿc đÅ xuÃt đÇ dā đốn māc tÃc nghÁn t¿i tăng nút m¿ng da vo xỏc sut ròt gúi ầ tỡm ra tuyn ớt tc nghn nht. C ch iu khiần mỏ trong [52] sử dāng đå chiÃm dāng bå đËm t¿i tăng nút, māc °u tiên, tác đå gói tin đÃn đÇ dā đốn māc đå tÃc nghÁn nhằm điÅu chÍnh tác đå phát. Trong [35], måt bå

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

điÅu khiÇn má cho điÅu chÍnh tác đå đã đ°ÿc đÅ xuÃt. C¢ chà này sử dāng mơ hình hàng đÿi đÇ tính tốn bå đËm t¿i nút m¿ng nhằm dā đoán tÃc nghÁn. Các tác giÁ sử dāng kích th°ßc bå đËm, tÿ lË RTT/RTO đÇ dā đốn tr¿ng thái m¿ng và điÅu chÍnh tác đå phát. Trong [5], måt c¢ chà điÅu khiÇn tÃc nghÁn cho CoAP sử dāng logic má đ°ÿc đÅ xuÃt. HË điÅu khiÇn má sử dāng 3 đÅu vào là: Tÿ lË RTT, chu kỳ RTT và đå biÃn thiên RTT đÇ dā đốn đÅu ra RTO nhằm māc đích tính RTO cho c¢ chà lựi, gim thiầu sỏ ln phỏt li ca CoAP. C chà này có h¿n chà do dāa vào mÃt gói và ch°a điÅu chÍnh tác đå phát.

KÃt quÁ khÁo sát đÃn nay cho thÃy, điÅu khiÇn má đã đ°ÿc áp dāng cho điÅu khiÇn tÃc nghÁn trong m¿ng Internet, song chÿ yÃu áp dāng trong quÁn lý bå đËm tích cāc t¿i các nút m¿ng. C¢ chà điÅu khiÇn má cho CoAP trong [5] chÍ phāc vā cho viËc tính RTO nhằm māc đích phát l¿i. V¿n ch°a có nghiên cāu nào đÅ cÁp đÃn điÅu khiÇn má cho điÅu chÍnh tác đå phát CoAP đÇ tránh tÃc nghÁn.

<b>1.5. Giao thāc CoAP </b>

<i><b>1.5.1. Hoạt động của CoAP </b></i>

CoAP [100] là giao thāc h¿ng nhẹ vì có phÅn tiêu đÅ gúi tin Ân gin vòi kớch thòc cỏ nh là 4 bytes. Giao thāc sử dāng mơ hình đẩy–kéo vòi 4 phÂng thc trao ỏi c bn l: GET, POST, PUT và DELETE.

<i>Hình 1.9 Tiêu đề cố định của gói tin CoAP </i>

<small>Token (if any, TKL bytes)...Options (if any)...</small>

<i>Hình 1.10</i>

<i> Cấu trúc một gói tin CoAP </i>

Hình 1.9 biÇu thị tiêu đÅ cá định cÿa gói tin CoAP, hình 1.10 biÇu thị måt gói

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

tin CoAP đÅy đÿ các tr°áng tin. Ý ngh*a các ký hiËu nh° sau: Ver (2 bit) là phiên bÁn CoAP; T (2 bit) biÇu thị kiÇu gói tin (00 = CON, 01=NON, 02=ACK, 03=RES); TKL (4 bit) là đå dài cÿa tr°áng th¿ (Token); Option là phÅn tùy chọn. CoAP có 4 kiÇu gói tin gßm: CON (Confirmable) là gói tin có tin cÁy; NON (Non-confirmable) là gói tin khơng tin cÁy; ACK là gói tin phÁn hßi; RES (Reset) là gói tin báo hÿy kÃt nái. CoAP có cÃu trúc gọn nhẹ vÅ quy tÃc và cú pháp. PhÅn tiêu đÅ nhò nờn cú thầ t hiậu qu truyÅn cao, tiêu tán tài nguyên thÃp. Do dāa trên UDP nên CoAP không cÅn thiÃt lÁp và duy trì kÃt nái, quá trình xử lý đ¢n giÁn, nhanh, phù hÿp cho các āng dāng IoT.

CoAP hã trÿ hai chà đå truyÅn: Tin cÁy và khơng tin cÁy. â chà đå tin cÁy, gói tin CON c phỏt i v chuyần tòi bờn nhÁn. Bên gửi chá phÁn hßi ACK tă bên nhÁn (hình 1.11a). ID 0x8C69 là ví dā måt mã định danh gói tin. NÃu bên gửi khơng nhÁn đ°ÿc phÁn hßi ACK sau RTO đặt tr°ßc, bên gửi sÁ thāc hiËn phát l¿i gói tin. Sá lÅn phát l¿i tái đa cú thầ t tròc, vớ d bng 4 [100]. Ngc l¿i, ã chà đå truyÅn không tin cÁy, bên gửi khơng địi hßi phÁn hßi ACK tă bên nhÁn (hình 1.11b).

Hình 1.11 mơ tÁ ph°¢ng thāc ho¿t đång cÿa CoAP. Bên gửi phát đi måt yêu cÅu (Request) tßi bên nhÁn bằng cách sử dāng ph°¢ng thāc GET hay POST. Bên nhÁn sÁ tr v phn hòi (Response) theo phÂng thc PUT.

<i>Hình 1.11 Ví dụ về chế độ truyền tin cậy (a) và không tin cậy (b) </i>

<i><b>1.5.2. Cơ chế điều khiển tắc nghẽn của CoAP </b></i>

Do thiÃt kà h¿ng nh, c ch iu khiần tc nghn ca CoAP khỏ Ân gin theo kiầu dng v i tip (Stop-and-Go). Dăng là bên gửi chá phÁn hßi ACK sau khi đã phát måt gói tin. Đi tiÃp ngh*a là bên gửi chÍ phát tiÃp gói tin sau khi đã nhn c ACK cho gúi tin tròc. C ch trun tin cÁy này biÇu thị trên hình 1.12.

â hình 1.12a, sau khi phát måt gói tin, bên gửi sÁ chá ACK. RTT là thái gian

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

quay vòng tă lúc gửi đÃn khi nhÁn ACK t°¢ng āng. Sau khi nhÁn đ°ÿc ACK, bên gửi phát gói tin CON tiÃp theo. IPI (Inter-packet interval) là thái gian giÿa hai gói CON phát đi thành cơng. Hình 1.12b mơ tÁ các lÅn phát l¿i cÿa CoAP. Sau khi phát måt gói CON, bên gửi đặt RTO đÇ chá gói ACK. NÃu thái gian chá quá RTO mà v¿n ch°a nhÁn đ°ÿc ACK, bên gửi sÁ phát l¿i gói CON vßi RTO mßi gÃp đơi RTO cũ. Q trình lặp l¿i nÃu bên gửi v¿n ch°a nhÁn đ°ÿc ACK. Sá lÅn phát li tỏi a cú thầ t tròc [100] hoc tùy āng dāng. C¢ chà này đ°ÿc gọi là lùi theo hàm mũ nhị phân BEB (Binary Exponential Backoff).

<i>Hình 1.12 a) Trao đổi gói tin CON và ACK, b) Các lần phát lại </i>

C¢ chà BEB đ°ÿc giÁi thích nh° sau: KhoÁng thái gian tă khi phát gói CON tßi khi phát l¿i lÅn thā nhÃt là RTO. Tác đå phát l¿i là 1/RTO (1 gói tin trong måt RTO). â lÅn phát l¿i thā 2, RTO tăng gÃp đôi, ngh*a là tác đå phát l¿i sÁ giÁm ½ sau mãi lÅn phát l¿i. Đây là cách CoAP h¿n chà tÃc nghÁn, là giÁm tác đå phát l¿i.

<b>1.6. Các nghiên cāu liên quan cÁi tiÁn CoAP và nhÿng tßn t¿i </b>

<i><b>1.6.1. Các nghiên cứu liên quan cải tiến CoAP </b></i>

Các nghiên cāu liên quan cÁi tiÃn CoAP chia theo ba tính năng chính cÿa CoAP là: 1) cách tính RTO, 2) c ch lựi, v 3) thut toỏn iu khiần.

<i><b> Các nghiên cứu liên quan cải tiến cách tính RTO của CoAP </b></i>

Tham sá RTO cá định cÿa CoAP khơng phù hÿp vßi điÅu kiËn biÃn đång cÿa m¿ng. Do vÁy, hÅu hÃt các c¢ chà cÁi tiÃn đÅu tÁp trung vào cách tính RTO đång.

Trong [34], các tác giÁ đÅ xuÃt thay thà RTO cá định bằng viËc nhân RTO vßi måt hË sá ng¿u nhiên. Giá trị hË sá này nhß nên bên gửi cú thầ phỏt nhanh hÂn m khụng cn chỏ lâu trong thái gian có tÃc nghÁn. Tuy nhiên, điÅu này l¿i làm phát sinh mÃt nhiÅu gói. Các tác giÁ trong [77] đÅ xuÃt đ°a måt biÃn đÃm sá lÅn phát l¿i vào tr°áng tiêu đÅ cÿa CoAP đÇ cÁp nhÁt RTO. Do RTO biÃn thiên theo RTT, måt

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

c¢ chà kÃt hÿp giÿa RTO nhanh và RTO chÁm đ°ÿc đÅ xuÃt trong [66, 67] vòi c ch RTO nhanh - chm FASOR (Fast-Slow RTO). RTO nhanh đ°ÿc tính t°¢ng tā RTO cÿa TCP [104] khi các gói ACK trùng khßp vßi các gói CON. RTO chÁm đ°ÿc đo tă thái điÇm phát måt gói đÃn khi nhÁn đ°ÿc ACK cÿa nó, bÃt kÇ bao nhiêu lÅn phát l¿i. RTO nhanh dùng đÇ dā đốn lãi kênh, cịn RTO chÁm đÇ dā đốn tÃc nghÁn.

Đå chính xác cÿa tính tốn RTO phā thuåc vào °ßc l°ÿng đúng RTT. Trong [76], måt bå đÃm đ°ÿc đ°a vào tr°áng tùy chọn cÿa tiêu đÅ gói tin nhằm xác định đúng sá hiËu gói có ACK đÇ tă đó tính RTT chính xác h¢n và cÁp nhÁt RTO. Các tác giÁ trong [95] đÅ xuÃt cách tính đå dác RTT theo thái gian. Giá trị RTT cÿa tăng gói đ°ÿc dùng đÇ dā báo tÃc nghÁn. Cách này khó khÁ thi vì RTT biÃn đång ng¿u nhiên cho tăng gói tin. TÅm quan trọng cÿa đå biÃn thiên RTT đã đ°ÿc nhìn nhÁn trong hÅu hÃt các nghiên cu. ó cú nhiu phÂng phỏp a ra òc lng phù hÿp h¢n cho đå biÃn thiên RTT [21, 71, 115], điÇn hình nh° trong måt sá nghiên cāu mßi đây [67, 37, 117, 107, 38].

Giao thāc CoCoA (Simple Congestion Control Advanced) [22, 23] là måt c ch iần hỡnh a ra mồt sỏ ci tiÃn đÇ khÃc phāc nh°ÿc điÇm cÿa CoAP. CoCoA đo liên tāc RTT đÇ tính RTO nhằm h¿n chà tÅn st phát l¿i, sử dāng RTT đÇ tính RTO dāa theo tht tốn tính RTO cÿa TCP [104]. Hai bå °ßc l°ÿng RTO đ°ÿc đÅ xuÃt là °ßc l°ÿng mạnh và °ßc l°ÿng yếu. Các bå °ßc lng ny c cp nht tÂng ng vòi giỏ trị đo RTT m¿nh hay yÃu. RTT m¿nh đo đ°ÿc khi bên gửi nhÁn đ°ÿc ACK ngay cho lÅn phát đÅu tiên. RTT yÃu đo đ°ÿc trong tr°áng hÿp nhÁn ACK sau ít nhÃt måt lÅn phát l¿i. Các cơng thāc sau đ°ÿc sử dāng đÇ tính RTO:

| | (1.9)

<i>Trong đó RTTVAR là giá trị trung bình °ßc tính cÿa RTT, x là ký hiËu cho mạnh </i>

hoặc yếu, new biÇu thị giá trị RTT đo đ°ÿc ã chu kỳ hiËn thái, overall biÇu thị °ßc

</div>