Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP IP cho mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
*****


ĐẶNG THỊ SƯƠNG



NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WIRELESS SENSOR NETWORKS)




LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG





Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
*****


ĐẶNG THỊ SƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WIRELESS SENSOR NETWORKS)

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS VƯƠNG ĐẠO VY



Hà Nội - 2014
Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2


MỤC LỤC
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI CAM ĐOAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1
1.1 Giới thiệu chung 1
1.2 Đặc điểm và kiến trúc giao thức mạng 3
1.2.1 Đặc điểm

3

1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng

4

1.3 Ứng dụng 6
1.3.1 Thu thập dữ liệu môi trường 6
1.3.2 Giám sát an ninh

7

1.3.3 Theo dõi đối tượng

8

1.4 Kết luận 8
CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY 09
2.1
Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/IP trong mạng WSN
09
2.2 Giải pháp sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây 11
2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không gian

11

2.2.2 Nén tiêu đề

16

2.2.3 Định tuyến ứng dụng phủ

19

2.2.4 Bộ giao thức TCP/IP uIP

21

2.2.5 Lưu trữ TCP phân tán

29

2.3 Kết luận 34
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 35
3.1 Đánh giá các giải pháp đề xuất để sử dụng TCP/IP trong mạng WSN 35
3.1.1 Gán địa chỉ IP theo không gian

35

Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2

3.1.2 Nén tiêu đề

37

3.1.3 Bộ giao thức TCP/IP uIP

38

3.1.4 Lưu trữ TCP phân tán

39
3.2 Tìm hiểu một ứng dụng của mạng WSN sử dụng TCP/IP 44
3.2.1 Giới thiệu

44
3.2.2 Nền tảng phần cứng

44
3.2.3 Hệ điều hành

45
3.2.4 Cơ chế và giao thức mạng

45
3.2.5 Đánh giá

47
3.3 Kết luận 48

KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

















Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
WSN Wireless Sensor Networks
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

ROM Read-Only Memory
RAM Random Access Memory
GPS Global Positioning System
RF Radio Frequency
MAC Medium Access Control
UDP User Datagram Protocol
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
SIPA Spatial IP Assigment
SLIPA Scan-line IP Assignment
RAHC Routing-Assisted Header Compression
CNS Center at Nearest Sourc
SPT Shortest Paths Tree
GIT Greedy Incremental Tree
RTP Real-time Transport Protocol
ESB Embedded Sensor Board
uIP Micro IP
RFC Request for Comments
ICMP Internet Control Message Protocol
RTT Round-Trip Time
API Application Program Interface
ACK Acknowledgement
SACK Selective Acknowledgement
DTC Distributed TCP Caching
RTO Retransmission timeout
PDA Personal Digital Assistant
NNTP Network News Transfer Protocol
Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -

K16Đ2


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Một số điểm khác biệt giữa mạng WSN và mạng IP truyền thống 09
Bảng 3.1: Tỷ lệ gán thành công với các phân bố khác nhau 37
Bảng 3.2: So sánh DTC và NON-DTC với 6 hop 40
Bảng 3.3: So sánh DTC và NON-DTC với 11 hop 41
Bảng 3.4: Cải tiến lưu lượng với DTC 43





Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến 1
Hình 1.2: Cấu tạo của một node cảm biến 2
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 5
Hình 1.4: Tô pô dạng cây cho mạng thu thập dữ liệu môi trường 7
Hình 2.1: Sử dụng TCP/IP trong và ngoài mạng cảm biến không dây 10
Hình 2.2: Ví dụ về gán địa chỉ theo không gian và hai mạng con theo khu vực 12
Hình 2.3: Sắp xếp các node theo hướng Y 13
Hình 2.4 : Quét tất cả các node với j = 0 15

Hình 2.5: Gán địa chỉ cho các node với z = 1, SN = 0 15
Hình 2.6: Gán địa chỉ cho các node với z=2, SN=0 16
Hình2.7: Gán các node với z=0, SN=3 16
Hình 2.8: Hiển thị địa chỉ của tất cả các node 16
Hình 2.9: a, Định tuyến địa chỉ trung tâm b, Định truyến dữ liệu trung tâm 20
Hình 2.10: Vòng lặp điều khiển chính 22
Hình 2.11: Lưu trữ TCP phân tán 30
Hình 2.12: Việc truyền lại sai 32
Hình 2.13: DTC với SACK 34
Hình 3.1: Tỷ lệ gán thành công đối với các node cảm biến phân bố ngẫu nhiên 36
Hình 3.2: Tỷ lệ gán thành công đối với các node cảm biến phân bố theo chiều dọc 36
Hình 3.3: uIP gửi dữ liệu với trễ mô phỏng 10ms 39
Hình 3.4: Cấu trúc mô phỏng 40
Hình 3.5: Giảm tải DTC gần bộ gửi 41
Hình 3.6: So sánh RTT bởi bộ gửi TCP với DTC 42
Hình 3.7: RTT nội bộ gần với bộ gửi 43
Hình 3.8: RTT nội bộ gần với bộ nhận 43
Hình 3.9: Mạng với các node backbone, node cảm biến 46
Hình 3.10: Mạng cảm biến kết nối với mạng sao chép gồm các server NNTP 47



Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ các mạng
bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã và đang
phát triển ngày càng mạnh mẽ và ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội. Mạng
cảm biến không dây là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục
đích phát triển đầy tiềm năng.
Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn lên đến hàng ngàn các cảm biến nhỏ.
Mỗi cảm biến có một bộ vi xử lý nhỏ với đủ năng lượng cho phép các cảm biến tự thiết
lập mạng nơi tập trung thông tin cảm biến cảm nhận được. Các mạng cảm biến có thể
giám sát ở những nơi như các khu vực thảm họa hạt nhân hoặc miệng núi lửa mà không
yêu cầu sự có mặt của con người. Nhiều ứng dụng mạng cảm biến không dây không thể
thực hiện độc lập mà cần kết nối để giám sát và điều khiển các thực thể.
Luận văn này khảo sát một phương pháp mới để kết nối mạng cảm biến không dây với
các mạng đã tồn tại bằng cách sử dụng bộ giao thức TCP/IP trong mạng cảm biến không
dây. Các cảm biến có thể kết nối trực tiếp với mạng ngoài mà không cần proxy server
hoặc bộ chuyển đổi giao thức.
Tuy nhiên, đưa bộ giao thức TCP/IP vào mạng cảm biến không dây là một nhiệm vụ
đầy thử thách. Đầu tiên, do giới hạn về kích thước vật lý và chi phí thấp các node cảm
biến bị hạn chế về bộ nhớ và năng lực xử lý. Thứ hai, các ràng buộc này hạn chế khả năng
thực hiện giao thức TCP/IP truyền thống trong các node cảm biến. Trong luận văn này,
em sẽ thảo luận về một số giải pháp tối ưu để có thể sử dụng TCP/IP trong mạng cảm biến
không dây.
Nội dung của luận văn với đề tài “Nghiên cứu các giải pháp để sử dụng TCP/IP cho
mạng cảm biến không dây” gồm có 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương 2: Đề xuất các giải pháp để sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến không dây
Chương 3: Phân tích, đánh giá các giải pháp đề xuất
Do kiến thức và khả năng của bản thân còn nhiều hạn chế nên luận văn không tránh
khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung luận

văn được hoàn thiện hơn.
Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2


Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vương Đạo Vy – Bộ môn Hệ thống Viễn thông –
Khoa Điện tử Viễn thông – Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình chỉ
bảo, hướng dẫn về chuyên môn, phương pháp làm việc trong suốt quá trình thực hiện luận
văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Điện tử Viễn thông
– Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, gia đình và bạn bè luôn tạo mọi điều
kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình
nghiên cứu, hoàn thành luận này.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Học viên

Đặng Thị Sương





Luận văn thạc sĩ Đại học Công nghệ - ĐHQGHN


Đặng Thị Sương -
K16Đ2

LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian dài nghiên cứu và học tập, tôi đã hoàn thành luận văn của mình với sự
giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa. Tôi xin cam đoan luận văn
không có sự trùng lặp với các công trình khoa học, luận văn đã công bố, đảm báo tính
trung thực rõ ràng và trích dẫn đầy đủ trong phần tài liệu tham khảo.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Học viên


Đặng Thị Sương
Luận văn thạc sĩ
1
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WSN)
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, WSN là một trong những công nghệ thông tin mới phát
triển nhanh chóng nhất, đã và đang được triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau
như: điều khiển quá trình công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trường, kiểm
tra sức khỏe…
WSN liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các node mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố
trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng pin, có thời gian hoạt động lâu dài (vài

tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm,
nhiệt độ không ổn định ).
Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) được minh
họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến trong mạng có khả năng thu thập số liệu, định tuyến
về bộ thu nhận (sink) để chuyển tới người dùng và định tuyến các bản tin mang theo lệnh
hay yêu cầu từ node sink đến các node cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía node
sink theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng tức là không có các trạm
thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với người
dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh.

Hình 1.2: Mô hình triển khai các node cảm biến
Cấu tạo của một node cảm biến [1] như sau:
Luận văn thạc sĩ
2
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2


Hình 1.2: Cấu tạo của một node cảm biến
- Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp: Bộ xử lý có nhiệm vụ xử lý thông tin cảm
biến cục bộ và thông tin truyền bởi các node cảm biến khác. Các bộ xử lý gắn vào
thiết bị thường bị hạn chế về công suất nên được chạy trên các hệ điều hành có các
thành phần đặc biệt như hệ điều hành TinyOS.
- Bộ nhớ: Lưu trữ dưới dạng ROM và RAM cả bộ nhớ chương trình (các lệnh
được thực hiện bởi bộ xử lý) và bộ nhớ dữ liệu (lưu các kết quả đo chưa qua xử lý và
đã qua xử lý bởi bộ cảm biến, lưu các thông tin cục bộ khác). Bộ nhớ của thiết bị
WSN thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp.
- Bộ thu phát sóng vô tuyến: Các thiết bị WSN có tốc độ thấp (10100kbps) và

là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong WSN thì truyền vô
tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu
quả công suất giữa chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động.
- Cảm biến: Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ
cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết
bị có một vài loại sensor trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại sensor
riêng: sensor nhiệt độ, sensor ánh sáng, sensor độ ẩm, sensor áp suất, sensor gia tốc,
sensor từ, sensor âm thanh, hay thậm chí là sensor hình ảnh có độ phân giải thấp.
- Hệ thống định vị địa lý GPS (lựa chọn): Trong nhiều ứng dụng của WSN, ứng
dụng cho các phép đo sensor để đánh dấu vị trí là quan trọng nhất. Cách đơn giản nhất
để định vị là cấu hình trước cho sensor ở vị trí triển khai, tuy nhiên nó chỉ mang tính
khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định.
- Nguồn năng lượng: Năng lượng nguồn được sử dụng để có thể triển khai hoạt
động của thiết bị WSN như nguồn pin.

Luận văn thạc sĩ
3
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

1.2 Đặc điểm và kiến trúc giao thức mạng
1.2.1 Đặc điểm
Mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có
giới hạn và ràng buộc khắt khe về tài nguyên đặc biệt là năng lượng. Do đó, cấu trúc
mạng cảm biến có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích
một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
- Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả

năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức
năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động.
- Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các node cảm
biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vào từng ứng dụng
con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở
rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các node này.
- Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node
cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của
toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền
thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm
biến phải giữ ở mức thấp.
- Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các node trong mạng rất nhiều nên các
node cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau: Kích thước phải nhỏ,
tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không
cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường.
- Môi trường hoạt động: Các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà
không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy
móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở
gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
- Phương tiện truyền dẫn: Trong những mạng cảm biến đa hop, các node liên kết
với nhau bằng kết nối không dây. Các kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến,
hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất
của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên
toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các node cảm biến dựa vào thiết kế mạch
RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF
hoạt động ở tần số 916MHz. Một cách khác mà các node trong mạng giao tiếp với
Luận văn thạc sĩ
4
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

nhau là bằng hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá
thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu
nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
- Cấu trúc mạng (network topology): Mạng cảm biến không dây thường được
triển khai trong phạm vi rộng, số lượng các node mạng lớn và được phân bố một cách
ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng. Do vậy, mạng
WSN cần có cấu trúc mạng linh động. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan
đến việc duy trì và thay đổi cấu trúc mạng ở 3 pha sau:
•
Pha tiền triển khai và triển khai: các node cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp
theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ
máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một.
•
Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu trúc phụ thuộc vào
việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ
thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự
cố, và nhiệm vụ cụ thể.
•
Pha triển khai lại: Sau khi triển khai, ta vẫn có thể thêm vào các node cảm biến
khác để thay thế các node gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng.
- Sự tiêu thụ năng lượng: Các node cảm biến không dây, có thể coi là một thiết
bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn. Trong một số ứng
dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời
gian sống của các node cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào thời gian sống của pin. Ở
mạng cảm biến đa hop ad hoc, mỗi một node đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa
định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài node cảm biến có thể gây ra những thay

đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì
vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng.
1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến [2] được trình bày trong hình 1.3.
Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý . Các mặt phẳng quản lý này làm
cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong
mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến.

Luận văn thạc sĩ
5
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2


Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Mặt phẳng quản lý năng lượng: điều khiển việc sử dụng nguồn năng lượng của node
cảm biến. Ví dụ: node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức
năng lượng của node cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá tới các node cảm biến lân cận
thông báo rằng nó có mức năng lượng thấp và không thể tham gia vào quá trình định
tuyến .
Mặt phẳng quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự chuyển động của các
node cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các node cảm biến có thể theo dõi
các node cảm biến lân cận. Nhờ xác định được các node cảm biến lân cận, các node cảm
biến có thể cân bằng giữa giữa công suất và nhiệm vụ thực hiện.
Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node
trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các node cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ
cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiều hơn các
nút khác tuỳ theo mức công suất của nó. Phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến

có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, định tuyến
trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.
Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,
điều chế và mã hóa tín hiệu. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở
lớp vật lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân.
Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung
dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các
node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét
đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng
bá của các node lân cận.
Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến cho các dữ liệu được cung cấp bởi lớp
truyền tải và được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau :
Luận văn thạc sĩ
6
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

- Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
- Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
- Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu
quả của các node cảm biến.
Lớp truyền tải: Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các
node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng.
Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng
Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp cao hơn (ứng dụng): Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
Kiến trúc mạng như trên góp phần quản lý năng lượng của các nút mạng đồng thời

duy trì hoạt động của toàn mạng trong thời gian dài hơn.
1.3 Ứng dụng
Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của mạng cảm biến không dây đều thuộc ba dạng ứng
dụng sau [3]: thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh và theo dõi đối tượng.
1.3.1 Thu thập dữ liệu môi trường
Mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu
thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời
gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường. Bài toán
này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số môi
trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base station) có kết nối với trung tâm xử lý
(thường là hệ thống máy tính) phân tích, xử lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh
báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu. Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời
gian sống phải dài hay nói cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít. Mạng
cho ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi nút
mạng có một nút cha duy nhất. Trạm gốc sẽ là gốc của cây. Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ
được gửi đến cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo
(nút ông), cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc.

Luận văn thạc sĩ
7
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

Hình 1.4: Tô pô dạng cây cho mạng thu thập dữ liệu môi trường
Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là:
- Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lượng nút mạng lớn.
- Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động. Để mạng tiếp tục hoạt
động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng

hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng.
- Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết vấn đề
tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất.
- Phần mềm nhúng phải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với bài toán
truyền thông các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Phần mềm phải
tương thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian.
1.3.2 Giám sát an sinh
Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm biến là giám sát an ninh. Các mạng giám sát an
ninh được tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trường liên tục theo dõi
một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thường. Sự khác nhau chủ yếu giữa giám sát
an ninh và giám sát môi trường là các mạng an ninh không thu thập bất kỳ dữ liệu nào.
Điều này có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc mạng. Mỗi nút thường xuyên kiểm tra
trạng thái các cảm biến của chúng nhưng chỉ truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh.
Việc truyền tức thời và tin cậy của thông điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống.
Thêm vào đó, nó cần được xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động. Nếu một
nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần được thông báo. Đối với các ứng
dụng giám sát an ninh, mạng cần được cấu hình sao cho các nút chịu trách nhiệm xác
nhận trạng thái các nút khác. Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang hàng sẽ thông báo nếu
một nút không hoạt động. Mô hình tối ưu của một mạng giám sát an ninh sẽ hoàn toàn
khác với mạng thu thập dữ liệu.
Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu. Do đó, tối
ưu là cây ngắn và rộng. Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu sẽ có mô hình mạng
tuyến tính. Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con của nó. Trong mạng
tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con. Điều này phân phối đều năng lượng tiêu thụ của mạng.
Sự tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo hiệu cảnh
báo khi có sự vi phạm an ninh. Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an ninh cần được
truyền tới trạm gốc ngay lập tức. Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua mạng tới trạm gốc có
ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng. Các nút mạng cần có khả năng trả lời
nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để chuyển tiếp dữ liệu.
Luận văn thạc sĩ

8
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo quan trọng
hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền. Điều này do các sự kiện cảnh báo rất hiếm
khi xảy ra. Đối với sự kiện xảy ra 1 lần năng lượng chủ yếu được dành cho việc truyền.
Giảm độ trễ truyền sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ vì các nút định tuyến phải giám sát
các kênh radio thường xuyên hơn.
Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức
năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo. Việc truyền dữ
liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lượng của mạng.
1.3.3 Theo dõi đối tượng
Với các mạng cảm biến không dây, các đối tượng có thể được theo dõi đơn giản gắn
chúng với một nút cảm biến nhỏ. Nút cảm biến này sẽ được theo dõi khi chúng đi qua một
trường các nút cảm biến được triển khai tại những vị trí đã biết. Thay vì cảm nhận dữ liệu
môi trường, những nút này sẽ được triển khai để cảm nhận các thông điệp RF của các nút
gắn với các đối tượng. Những nút này có thể được sử dụng như những thẻ để thông báo
sự có mặt của một thiết bị. Một cơ sở dữ liệu có thể được sử dụng để ghi lại vị trí tương
đối của đối tượng với các nút mạng, do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối tượng.
Không như mạng cảm biến hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên tục thay
đổi topology khi các nút đi qua mạng. Trong khi sự kết nối giữa các nút tại các vị trí cố
định tương đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay đổi. Thêm vào đó
tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia nhập hay rời khỏi hệ thống.
Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách hiệu quả sự có mặt của các nút mới
đi vào mạng.
1.4 Kết luận
Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến và các ứng dụng

trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường Qua đó ta thấy rõ được
tầm quan trọng của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta. Với sự phát triển nhanh
chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến.
Luận văn thạc sĩ
9
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP ĐỂ SỬ DỤNG TCP/IP CHO
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Các vấn đề gặp phải khi sử dụng TCP/IP trong mạng WSN
Mạng cảm biến là một hệ thống thu thập thông tin dựa trên sự kết hợp của nhiều node
cảm biến nhỏ. Hầu hết các ứng dụng của node cảm biến là phát hiện, giám sát các hiện
tượng như giám sát hiện tượng tự nhiên, môi trường trong tòa nhà. Đối với các ứng dụng
này, mạng cảm biến không dây không thể hoạt động độc lập một cách hoàn toàn mà phải
được kết nối tới mạng ngoài để quản lý dữ liệu thu được bởi mạng cảm biến. Việc truy
nhập từ xa có thể thực hiện bằng cách kết nối mạng cảm biến với cơ sở hạ tầng mạng sẵn
có như mạng Internet toàn cầu, mạng nội bộ…Việc kết nối này gặp nhiều thử thách do
mạng WSN có nhiều đặc điểm khác biệt so với mạng IP truyền thống. Bảng 2.1 chỉ ra
một số điểm khác biệt giữa hai mạng này.
Bảng 2.1: Một số điểm khác biệt giữa mạng WSN và mạng IP truyền thống

Mạng IP truyền
thống
Mạng cảm biến không dây
Kiểu mạng Ứng dụng độc lập Ứng dụng đặc trưng
Cơ chế định tuyến Địa chỉ trung tâm
Dữ liệu trung tâm, vị trí trung

tâm
Luồng dữ liệu đặc
trưng
Tùy ý, một - một
Đến/ đi từ node sink, nhiều
node - một node, một node -
nhiều node
Tốc độ truyền Cao Thấp
Tài nguyên hạn chế Băng thông
Năng lượng, bộ nhớ, năng lực
xử lý
Thời gian sống của
mạng
Dài (năm, thập kỷ) Ngắn (ngày, tháng)
Hoạt động Giám sát, quản lý Độc lập, tự cấu hình
TCP/IP là bộ giao thức phổ biến được sử dụng trong các mạng và được xem là một
phương pháp tiềm năng cho việc kết nối mạng cảm biến với mạng TCP/IP. Bằng cách
chạy trực tiếp bộ giao thức TCP/IP trong mạng cảm biến không dây có thể kết nối trực
tiếp mạng cảm biến với cơ sở hạ tầng mạng có dây mà không cần gateway hoặc node
trung gian đặc biệt nào. Hơn nữa kết nối được thực hiện đơn giản bằng cách kết nối một
hoặc nhiều node tới mạng TCP/IP. Trong khi, UDP được dùng để truyền dữ liệu cảm biến
tới nút sink, TCP được sử dụng cho các nhiệm vụ quản trị đòi hỏi sự tin cậy như truyền
cấu hình từ máy chủ trung tâm hoặc tải chương trình tới các node cảm biến và các nhiệm
vụ quản trị khác. Tuy nhiên, bộ giao thức TCP/IP được xem không phù hợp với mạng
cảm biến do các yêu cầu và điều kiện kết nối khắt khe mà mạng cảm biến thực hiện. Mặc
Luận văn thạc sĩ
10
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -

K16Đ2

dù vậy, TCP/IP có thể áp dụng được trong mạng WSN bằng một số cơ chế tối ưu sẽ được
phân kỹ hơn trong phần sau của chương này.

Hình 2.1: Sử dụng TCP/IP trong và ngoài mạng cảm biến không dây
Ta phân tích một số vấn đề nảy sinh khi sử dụng TCP/IP trong mạng cảm biến như
sau:
Cấu trúc địa chỉ IP: Trong mạng IP truyền thống, địa chỉ của mỗi host được gán dựa
vào cấu trúc mạng gồm hai phần: địa chỉ mạng và địa chỉ host và phải là địa chỉ duy nhất.
Các địa chỉ này được cấu hình bằng phương pháp tĩnh hoặc động. Phương pháp gán địa
chỉ tĩnh bằng tay không khả thi trong mạng cảm biến không dây vì có quá nhiều node
mạng. Cấu hình địa chỉ động bằng cách sử dụng cơ chế DHCP cũng không phù hợp. Ta
xét ví dụ khi node sink đóng vai trò DHCP server, các node không phải node lận cận với
node sink rất khó khăn trong việc truy cập tới DHCP server trong mạng cảm biến phạm vi
rộng vì DHCP sử dụng truyền thông đa hop khoảng cách ngắn. Hơn nữa, cơ chế DHCP
yêu cầu tiêu đề giao tiếp khá tốn kém.
Mạng cảm biến không dây khắc phục nhược điểm này bằng sử dụng một số cơ chế
gán địa chỉ theo không gian để cung cấp địa chỉ cho các node cảm biến.
Chi phí tiêu đề: Các giao thức trong bộ giao thức TCP/IP có kích thước trường tiêu đề
lớn, đặc biệt là đối với các gói nhỏ. Kích thước tối thiểu của trường tiêu đề UDP/IP là 28
byte và 4 byte dữ liệu được gửi sử dụng UDP/IP có 87.5% trường tiêu đề. Điều này dẫn
đến cần một lượng lớn năng lượng để truyền trường tiêu đề. Kích thước của tiêu đề gói
TCP/IP giữa 28 và 40 byte và khi gửi vài byte dữ liệu cảm biến trong một gói tin trường
tiêu đề chiếm khoảng 90% mỗi gói tin. Hiệu quả năng lượng là quan trọng đầu tiên đối
với mạng cảm biến, gói tin với 90% trường tiêu đề là không chấp nhận được. Năng lượng
là nguồn tài nguyên khan hiếm nhất trong mạng cảm biến nên hầu hết các giao thức thiết
kế cho mạng cảm biến cố gắng giữ phần tiêu đề thấp nhất có thể. Cơ chế nén tiêu đề theo
ngữ cảnh trong mạng WSN sẽ giúp giảm lượng lớn trường tiêu đề TCP/IP.
Luận văn thạc sĩ

11
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

Định tuyến địa chỉ trung tâm: Định tuyến trong mạng IP truyền thống dựa trên địa
chỉ host và mạng, mỗi gói tin được định tuyến xuyên suốt qua mạng. Các tuyến dựa vào
địa chỉ IP và tôpô mạng. Tuy nhiên, các ứng dụng tự nhiên của mạng cảm biến cho thấy
việc sử dụng cơ chế định tuyến dữ liệu trung tâm tốt hơn cơ chế định tuyến địa chỉ trung
tâm. Định tuyến dữ liệu trung tâm sử dụng các thuộc tính của các node và dữ liệu chứa
trong các gói để định tuyến các gói tới đích. Thêm vào đó, cơ chế định tuyến dữ liệu trung
tâm chấp nhận sự kết hợp dữ liệu và loại bỏ dữ liệu dư thừa trong mạng. Sử dụng định
tuyến ứng dụng phủ là phương pháp để thực hiện định tuyến dữ liệu trung tâm và tập
trung dữ liệu cho mạng cảm biến không dây TCP/IP
Giới hạn của node cảm biến: Để mạng cảm biến không dây có tính khả thi, các node
cảm biến thường bị giới hạn về bộ nhớ và năng lực xử lý. Việc thực hiện TCP/IP truyền
thống đòi hỏi quá nhiều nguồn tài nguyên cả về kích thước mã và bộ nhớ sử dụng đối với
các hệ thống nhỏ 8 hoặc 16 bit. Bộ giao thức TCP/IP hoàn chỉnh với vài trăm kilobyte
kích thước mã và vài trăm kilobyte yêu cầu RAM không thể đưa vào trong hệ thống với
hàng chục kilobyte RAM và ít hơn một trăm kilobyte mã.
Giao thức uIP được thiết kế cho mạng WSN chỉ có một tập hợp tối thiểu tuyệt đối các
tính năng sử dụng của bộ giao thức TCP/IP hoàn chỉnh và có thể chạy bộ vi điều khiển 8
bít chỉ với vài trăm byte RAM.
Hiệu quả năng lượng và hiệu suất TCP: Giao thức chuỗi byte tin cậy TCP có vấn đề
về chất lượng nghiêm trọng trong mạng cảm biến cả về mặt lưu lượng và hiệu quả năng
lượng. Hơn nữa, báo nhận và cơ chế truyền lại end to end thực hiện bởi TCP dẫn đến việc
truyền lại tốn kém dọc tuyến giữa bộ phát và bộ nhận nếu một gói tin bị mất. Bởi vì mạng
cảm biến thường được thiết kế theo kiểu multi-hop, việc truyền lại riêng lẻ sẽ chịu chi phí
truyền nhận tại mỗi hop mà các gói được truyền qua. Có thể sử dụng TCP như là giao

thức vận chuyển tin cậy trong mạng cảm biến, phương pháp này phải được phát triển để
nâng cao chất lượng của TCP trong sự thiết lập riêng của mạng cảm biến. Cơ chế lưu trữ
TCP phân tán được đề xuất để giải quyết các vấn đề này.
2.2 Giải pháp sử dụng TCP/IP cho mạng cảm biến
2.2.1 Gán địa chỉ IP theo không gian
Đối với hầu hết mạng cảm biến, dữ liệu được tạo bởi các node cảm biến cần phối hợp
với vị trí không gian nơi dữ liệu được cảm nhận. Vì vậy, các phương pháp gán địa chỉ
theo vị trí không gian của các node cảm biến được đề xuất. Gán địa chỉ IP theo cách
truyền thống dựa vào cấu trúc mạng. Trong khi đó, phương pháp gán địa chỉ IP theo
không gian sử dụng vị trí của node để xây dựng địa chỉ IP. Trong phần này ta xem xét hai
cơ chế gán địa chỉ SIPA và SLIPA.
Luận văn thạc sĩ
12
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

2.2.1.1 Phương pháp gán địa chỉ SIPA
Đối với một số ứng dụng trong mạng cảm biến, địa chỉ duy nhất của mỗi node cảm
biến cụ thể là không cần thiết, dữ liệu thu thập bởi các cảm biến mới là sự quan tâm
chính. Cơ chế gán địa chỉ IP theo không gian (SIPA – Spatial IP address Assignment) đã
được đề xuất [4] để cung cấp địa chỉ semi-unique tới các node cảm biến trong mạng cảm
biến không dây TCP/IP. Với việc gán địa chỉ IP theo không gian, mỗi node sử dụng vị trí
không gian của nó với tọa độ (x,y) để xây dựng một địa chỉ IP. Mỗi node thu thập và gửi
thông tin xung quanh vị trí của nó về trạm cơ sở. Vì vậy, giả sử rằng các node trong mạng
cảm biến có cách để xác định vị trí của chúng và do đó việc gán địa chỉ không yêu cầu
server trung tâm hoặc giao tiếp giữa các node.
Ta xem xét ví dụ về một mạng với địa chỉ IP được gán theo không gian được mô tả
trong hình 2.2 . Trong mạng cụ thể này, mỗi node xây dựng địa chỉ của nó bằng cách kết

hợp tọa độ của nó với tiền tố địa chỉ của mạng. Tọa độ (x,y) của node được gán cho hai
octet cuối cùng trong địa chỉ IP. Tiền tố địa chỉ của mạng được cấu hình trong suốt thời
gian thực thi và thường là một trong các dải địa chỉ riêng.

Hình 2.2: Ví dụ về gán địa chỉ theo không gian và hai mạng con theo khu vực
Vì thông tin định vị được mã hóa trong địa chỉ IP, ta có thể định nghĩa mạng con theo
miền như là một tập hợp các node cùng chia sẻ một tiền tố và thực hiện cơ chế quảng bá
theo miền tương tự với quảng bá mạng con IP truyền thống.
SIPA lợi dụng mối quan hệ giữa các vị trí không gian để tạo ra giao thức định tuyến.
Các node với địa chỉ lặp lại ở lân cận nhau giúp tránh các vấn đề định tuyến: các node
cùng địa chỉ có khả năng chia sẻ phần lớn các tuyến về phía các node. Tuy nhiên, nhược
Luận văn thạc sĩ
13
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

điểm của phương pháp này không đảm bảo là địa chỉ duy nhất vì hai hoặc nhiều hơn các
node lân cận có thể có cùng tọa độ vị trí và do đó thiết lập cùng địa chỉ.
2.2.1.2 Phương pháp gán địa chỉ SLIPA
Phương pháp gán địa chỉ quét dòng (Scan-Line IP Assignment (SLIPA)) [5] khắc
phục nhược điểm trên của SIPA. SLIPA sẽ quét mỗi node với cùng giá trị tọa độ Y nhỏ
nhất từ trái sang phải sau đó quét các node này với giá trị tọa độ Y kế tiếp. Lặp lại quá
trình này cho tới khi tất cả các node đều được quét và nếu hai hoặc nhiều hơn các node
lân cận có cùng địa chỉ IP, SLIPA sẽ di chuyển các node lân cận này để đảm bảo mỗi địa
chỉ chỉ thuộc về một node mà không ảnh hưởng đến mỗi quan hệ không gian giữa các
node.
Giả sử tọa độ của node N
m

là (X
m
, Y
m
) trong đó 0 ≤ X
m
,Y
m
≤ 255, 1 ≤ m ≤ t, t là tổng
số node và X
m
, Y
m
không đồng thời bằng 0 hoặc 255. Địa chỉ IP của node được định
nghĩa A.B.C
m
.D
m
. Mục đích của thuật toán là xác định giá trị phù hợp cho C
m
,

D
m
của
node N
m
.
SLIPA hoạt động theo ba bước: sắp xếp thứ tự các node theo hướng Y, gán giá trị cho
octet (C) trong địa chỉ IP và gán giá trị cho octet cuối cùng (D) trong địa chỉ IP.

Sắp xếp thứ tự các node theo hướng Y:
Gán giá trị j bắt đầu từ 0 cho thứ tự các node theo hướng Y. Nếu hai hoặc nhiều node
có cùng tọa độ theo hướng Y, chúng có cùng giá trị số thứ tự j. Trong ví dụ 1, có 5 node
được gán giá trị j=0 và node trong tọa độ Y tiếp theo được gán j=1 chứ không phải j=6.

Hình 2.3: Sắp xếp các node theo hướng Y
Gán giá trị cho octet C trong địa chỉ IP
Trong bước này, ta biến đổi X
m
vào trong C trong khoảng từ 0 đến 255 theo phương
trình (1) và gán giá trị C theo phương trình (2).
Q = ( max{ X
m
} – min{ X
m
} )/ 255 (1)
C
m
= round( ( X
m
– min{ X
m
} ) / Q ) (2)
Luận văn thạc sĩ
14
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

Cách này đảm bảo rằng C
m
không lớn 255 hoặc nhỏ hơn 0 và mối quan hệ không gian
theo hướng X được duy trì. Ta có thể phân chia tất cả các node trong mạng cảm biến
thành 256 vùng (zone) theo chiều ngang, mỗi vùng kí hiệu là z.
Gán giá trị cho octet cuối cùng (D) trong địa chỉ IP
Đầu tiên quét mọi node với cùng giá trị tọa độ Y bé nhất, sau đó quét tất cả các node
với giá trị tọa độ Y tiếp theo. Gán D
m
cho nút N
m
sau khi quét. Lặp lại quá trình cho đến
khi tất cả các node được quét để tìm hai hoặc nhiều hơn các node lân cận có thể có cùng
địa chỉ. Điều chỉnh các node này từng cái một cho đến khi không còn node nào có cùng
địa chỉ. Một số thông số và hàm cần để thực hiện thuật toán này:
1, Định nghĩa thông số:
SN là số đường quét, phụ thuộc nhiều vào thời gian quét và bắt đầu từ 0.
k: node thứ k trong các node thuộc vùng z với cùng giá trị SN, sắp xếp từ trái
sang phải và bắt đầu từ 1.
2, Định nghĩa hàm:
R(z, SN): trả về số node trong cùng một vùng với cùng giá trị SN.
Scan(j): với giá trị j, hàm trả về giá trị SN tương ứng. Ví dụ Scan (0) bằng 0 và
thể hiện lần quét theo chiều ngang đầu tiên, Scan(1) là lần quét thứ 2…
D(k, SN): Hàm trả về octet cuối cùng trong địa chỉ IP của node thứ k trong vùng,
số đường quét SN.
Cách gán octet cuối cùng D trong địa chỉ IP của mỗi node và cách xử lý giá trị SN
như sau:
1, Gán D: Quét từ trái sang phải qua 256 zone với cùng số đường quét SN. Gán
D
m

tới node N
m
sau khi quét.
a, Node thứ nhất trong zone, số dòng SN:
D
m
= D (k, SN) = SN, nếu k =1 (3)
b, Các node khác trong cùng một zone và có cùng số dòng SN: Node được quét
đầu tiên N
m
được gán D
m
= SN, node thứ hai N
m+1
được gán D
m+1
= SN + 1, …
D
m
= D (k, SN) = D (k - 1, SN) + 1 = D
m-1
+ 1, nếu k > 1 (4)
2, Gán SN: Số của dòng quét đầu tiên là 0 và việc gán của dòng quét tiếp được xác
định theo các dòng quét trước đó.
a, Khi j=0, SN = Scan(j) = 0 (5)
b, Khi j > 0, SN = Scan(j) = Scan(j - 1) + max{ R(z, Scan(j - 1)) } (6)
Ví dụ
Luận văn thạc sĩ
15
Đại học Công nghệ - ĐHQGHN

Đặng Thị Sương -
K16Đ2

Ta xét một ví dụ gồm có 6 node N
m
cần gán các giá trị C
m
và D
m
cho hai octet cuối
cùng trong địa chỉ IP. Đầu tiên, sắp xếp các node theo hướng Y sau đó gán giá j. Sau khi
gán giá trị cho octet thứ hai từ cuối, chia các node vào 3 zone thay vì 256 zone cho đơn
giản: một node ở zone 0, hai node ở zone 1 và 3 node ở zone 2 như trong hình vẽ. Đầu
tiên, ta quét tất cả các node với j=0 thu được SN = Scan(0) = 0 và có 5 node đợi được gán.

Hình 2.4 : Quét tất cả các node với j = 0
Có hai node trong zone 1 có cùng số đường quét, node bên trái với k=1 không cần
phải di chuyển và gán D = 0 cho octet cuối cùng (hình 2.5). Node tiếp theo với k=2 phải
di chuyển lên 1 và được gán D = 1.

Hình 2.5: Gán địa chỉ cho các node với z = 1, SN = 0
Tron hình 2.6 có 3 node trong zone 2 với SN = 0. Tương tự như ở zone 1, node với k =
1 không phải di chuyển và được gán D = 0, node k=2 và k=3 di chuyển và được gán D=1
và D=2.