Cân bằng tải trong giao thức định tuyến rpl sử dụng đa hàm mục tiêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------------

ĐẶNG THỊ DIỆU THU

CÂN BẰNG TẢI TRONG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
RPL SỬ DỤNG ĐA HÀM MỤC TIÊU
LOAD BALANCING IN THE RPL ROUTING
PROTOCOL WITH MULTIPLE OBJECTIVE
FUNCTIONS

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông
Mã số: 60520208
60 52 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2017


i

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Võ Quế Sơn ..........................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Hà Hoàng Kha .........................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Huỳnh Hữu Thuận ...................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 06 tháng 01 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Hà Hoàng Kha
2. TS. Huỳnh Hữu Thuận
3. TS. Đỗ Hồng Tuấn
4. TS. Huỳnh Phú Minh Cường
5. TS. Mai Linh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: ĐẶNG THỊ DIỆU THU

MSHV: 7140996

Ngày, tháng, năm sinh: 19/07/1991

Nơi sinh: Bình Thuận

Chun ngành: Kỹ Thuật Viễn Thơng

Mã số : 60520208

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“Cân bằng tải trong giao thức định tuyến RPL sử dụng đa hàm mục tiêu - Load
balancing in the RPL routing protocol with multiple objective functions.”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Đánh giá khả năng cân bằng tải thông qua các thông số về năng lượng tiêu thụ, tỷ lệ
truyền gói và độ trễ khi trên cùng mơ hình chạy giao thức RPL sử dụng hàm mục tiêu :
ETX, OF0 và ETX-OF0.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 04/07/2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) : 06/01/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Võ Quế Sơn
Tp. HCM, ngày 06 tháng 01 năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


iii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Võ Quế Sơn, bộ môn
Viễn thông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí
Minh. Giảng viên trực tiếp hướng đẫn tôi thực hiện đề tài này. Với những kinh
nghiệm và sự hiểu biết, thầy đã tận tình chỉ dẫn giúp đỡ và giải đáp các thắc mắc
của tôi trong suốt quá trình thực hiện đề cương.
Xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến tập thể giảng viên trường Đại học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, thầy cơ đã truyền cho tôi nguồn tri thức quý báo
trong suốt quá trình học tập tại trường.


iv

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Trong mạng cảm biến khơng dây, định tuyến là một yếu tố rất quan trọng
ảnh huởng đến kết nối và thực hiện trao đổi thông tin. Hiệu quả hoạt động chung
của mạng cảm biến không dây là phụ thuộc vào sự lựa chọn của giao thức định
tuyến và chất lượng thực hiện của nó. RPL là một giao thức định tuyến distancevector được thiết kế bởi ROLL Working Group để phục vụ cho các nhu cầu cụ thể
của mạng tổn hao và công suất thấp (LLNs). Giao thức định tuyến RPL cần phải
được tối ưu hóa cho các ứng dụng sensornet khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu
và sử dụng các nguồn lực hiệu quả hơn. Trong q trình truyền gói tin thì sẽ dẫn
đến sự quá tải ở các node, đặc biệt là các node root. Do đó, giải pháp cho việc cân
bằng tải trong RPL là hết sức cần thiết.
Vì vậy, tơi thực hiện đề tài “Cân bằng tải trong giao thức định tuyến RPL sử
dụng đa hàm mục tiêu”. Trong khuôn khổ luận văn này, tơi sẽ tìm hiểu lý thuyết về
mạng cảm biến không dây WSN, giao thức định tuyến RPL trong mạng tổn hao và
năng lượng thấp (LLNs). Đề tài sẽ được thực hiện trên ứng dụng mô phỏng cooja
của hệ điều hành contiki. Dựa trên các hàm mục tiêu đã được sử dụng là EXT và
OF0, nhưng bị hạn chế khi chạy cho mơ hình lớn tốc độ gửi cao gây quá tải làm mất

gói tin, độ trễ cao, năng lượng tiêu tốn nhiều. Tôi sẽ tiến hành xây dựng trên một
mơ hình sử dụng kết hợp hai hàm mục tiêu ETX và OF0 nhằm tạo ra nhiều root
giúp cân bằng tải cho hệ thống. Để đánh giá được hiệu quả của giải pháp này, tôi sẽ
dựa trên thông số về tỷ lệ gói gửi thành cơng PRR, độ trễ và năng lượng tiêu thụ thu
thập phân tích được khi chạy mơ phỏng. Sau đó, đem so sánh với kết quả thu thập
được khi cùng mơ hình mạng đó chạy riêng từng hàm mục tiêu như hiện nay. Từ đó
đưa ra kết luận và đánh giá giải pháp sử dụng nhiều hàm mục tiêu để cân bằng tải
trong giao thức định tuyến RPL.


v

ABSTRACT
In wireless sensor networks, routing is a very important factor affecting the
connection and make the exchange of information. All performance of the wireless
sensor network is dependent on the choice of routing protocols and quality of its
implementation. RPL is a protocol distance-vector routing was designed by ROLL
Working Group to support the specific demands of existing network capacity and
low consumption (LLNs). RPL routing protocol needs to be optimized for different
applications to achieve sensornet optimum performance and use resources more
efficiently. During transmission of packets will lead to an overload of nodes,
especially the root node. Therefore, the solution for load balancing in RPL is
necessary.
I have conducted the research and performed the thesis, namely "Load
Balancing in RPL routing protocol using multiple objective functions". In this
thesis, I will research theory of Wireless Sensor Networks, routing protocol RPL in
Low Power and Lossy Network (LLNs). The results will be investigated and
simulated on the Application of Cooja Simulator using Contiki OS. Based on the
objective functions ETX and OF0 were used in in reality; however, when running in
large networks with high data rate, it causes the overload which results in high

packet loss, high latency, high consuming energy. I have combined a model which
can utilize both ETX and OF0 objective functions to create multiple root networks
which helps to balance the system load. To assess the effectiveness of this solution,
I investigate the network parameters such as packet reception rate, end-to-end
latency and power consumption using the simulation. Besides, the model results are
also compared with the results obtained when running individual model objective
functions. The proposed model shows that it has several advantages in comparison
with the current use of single objective function.


vi

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát
từ yêu cầu phát sinh trong cơng việc để hình thành hướng nghiên cứu. Các số liệu
có nguồn root rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn
được thu thập được trong quá trình nghiên cứu là trung thực chưa từng được ai công
bố trước đây.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 01, năm 2017
Tác giả luận văn

Đặng Thị Diệu Thu


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DAG
DAO
DIO

DIS
DODAG
DODODAG
ETX
ICMP
IEEE
IETF
ID
IoT
IP
LBR
LLN
MAC
MRHOF
OF
OF0
MOP
PRR
RDC
RFC
ROLL
RPL
RSSI
TCP
UDGM
UDP
WSN

Directed Acyclic Graph
Destination Advertisement Object

DODAG Information Object
DODAG Information Solicitation
Destination Oriented Directed Acyclic Graph
Destination-Oriented DODAG
Expected Transmission Count
Internet Control Message Protocol
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Internet Engineering Task Force
Identifycation
Internet of Things
Internet Protocol
Low Power and Lossy Network Border Router
Low Power and Lossy Network
Medium Access Control
Minimum Rank with Hysteresis Objective Function
Objective Function
Objective Function Zero
Mode of Operation
Packet Reception Ratio
Radio Duty Cycling
Request For Comments
Routing Over Low Power and Lossy Network
Routing Protocol for LLN
Receive Signal Strength Indicator
Transmission Control Protocol
Unit Disk Graph Model
User Datagram Protocol
Wireless Sensor Network

viii

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ...........................................................................................iv
ABSTRACT ...............................................................................................................v
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................... vii
MỤC LỤC .............................................................................................................. viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...............................................................1
1.1

Đặt vấn đề và hướng giải quyết........................................................................................1

1.2

Lý do chọn đề tài ...............................................................................................................3

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................4

1.4

Phương pháp nghiên cứu..................................................................................................4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN WSN ..........................................................................5
2.1

Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây .............................................................5

2.2.

Cấu trúc mạng cảm biến...................................................................................................6

2.2.1

Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây ...............................................................7

2.2.2.

Cấu trúc của node cảm biến .....................................................................................9

2.3.

Tổng quan về IPv6 ......................................................................................................... 11

2.3.1.

Đặc điểm.................................................................................................................. 11

2.3.2.

Phân loại địa chỉ IPv6 ............................................................................................ 11

2.3.3.

Giao thức 6LoWPAN ............................................................................................. 15

CHƯƠNG 3: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN RPL ................................................20
3.1.

Các metric trong định tuyến. ........................................................................................ 20

3.2.

Hàm mục tiêu ................................................................................................................. 23

3.3.

Giao thức định tuyến RPL ............................................................................................ 25

3.3.1.

Tổng quan về giao thức.......................................................................................... 25

3.3.2.

Sử dụng nhiều DODAG và định nghĩa của trường RPL .................................... 26

3.3.3.

Các bảng tin RPL ................................................................................................... 27

3.3.4.

Khởi tạo mạng ........................................................................................................ 33

3.4.

Hàm mục tiêu ETX ........................................................................................................ 38

3.4.1.

Hàm mục tiêu MRHOF ......................................................................................... 39


ix

3.4.2.

Sử dụng MRHOF trong tối đa metric .................................................................. 44

3.4.3.

Biến và các thông số MRHOF ............................................................................... 45

3.4.4.

Khả năng quản lý ................................................................................................... 46

3.5.

Hàm mục tiêu OF0 ......................................................................................................... 48

3.5.1.

Tổng quan ............................................................................................................... 48

3.5.2.

Hoạt động của OF0 ................................................................................................ 51

3.5.3.

Giao diện của OF0.................................................................................................. 54

3.5.4.

Tính tốn trong OF0 .............................................................................................. 55

3.5.5.

Xem xét khả năng quản lý ..................................................................................... 56

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA HÀM MỤC
TIÊU .........................................................................................................................58
4.1.

Giải pháp thực hiện........................................................................................................ 58

4.2.

Phương pháp đánh giá ................................................................................................... 59

4.3.

Sử dụng nhiều hàm mục tiêu......................................................................................... 59

4.4.

Giải thuật định tuyến đa hàm mục tiêu ....................................................................... 62

4.4.1.

Khởi tạo node server .............................................................................................. 62

4.4.2.

Khởi tạo node client ............................................................................................... 64

4.4.3.

Các node tính rank theo hàm mục tiêu tương ứng ............................................. 65

4.4.4.

Cơ chế điều khiển sự kiện của node client ........................................................... 67

4.4.5.

Cơ chế xử lý bản tin DIO và xây dựng DAG ....................................................... 68

4.5.

Quá trình hoạt động của mơ hình dùng hai hàm mục tiêu ........................................ 70

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH ...................................75
5.1.

Hệ điều hành contiki và ứng dụng mô phỏng cooja .................................................... 75

5.1.1.

Hệ điều hành contiki .............................................................................................. 75

5.1.2.

Ứng dụng mô phỏng cooja..................................................................................... 77

5.2.

Cài đặt mạng................................................................................................................... 79

5.2.1.

Các thông số mô phỏng .......................................................................................... 79

5.2.2.

Mô hình mơ phỏng ................................................................................................. 82

5.3.

Phân tích kết quả mơ phỏng .......................................................................................... 85

5.3.1.

So sánh khả năng cân bằng tải qua tần suất gửi gói tin...................................... 85

5.3.2.

So sánh khả năng cân bằng tải qua tỳ lệ gửi và nhận gói tin Tx/Rx success..... 88

5.4.

Đánh giá .......................................................................................................................... 91

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HUỚNG PHÁT TRIỂN......................................94


x

6.1.

Kết luận ........................................................................................................................... 94

6.2.

Hướng phát triển đề tài ................................................................................................. 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................96
PHỤ LỤC .................................................................................................................99


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề và hướng giải quyết
Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, các
công nghệ trong lĩnh vực mạng cảm biến cũng không ngừng phát triển và ngày càng
đòi hỏi những yêu cầu cao hơn, nhằm phục vụ những mục đích nghiên cứu khoa
học, y tế, giáo dục, quân sự, dân sự… Những ứng dụng mạng sử dụng mạng cảm
biến không dây ngày càng trở nên gần gũi và có ý nghĩa trong cuộc sống.
Định tuyến trong IoT (Internet of Things) là thách thức lớn nhất bởi vì trong
LLNs chất lượng liên kết biến động mạnh và bị gián đoạn bởi các vấn đề như nhiễu
nền, biến đổi trở kháng… Do những đặc điểm này, việc bảng định tuyến hội tụ
nhanh có thể đạt được bằng cách sửa chữa cục bộ mà không ảnh hưởng đến việc
định tuyến tồn cầu để tránh sự khơng ổn định và vòng lặp. Đối với việc sửa chữa
cục bộ, khả năng giải pháp thay thế định tuyến trong mỗi node là điều cần thiết, vì
bất cứ lúc nào cũng có thể có node hàng xóm bị ngưng hoạt động hoặc liên kết bị
giảm chất lượng. Các giao thức định tuyến cho các mạng công suất và tổn hao thấp
(RPL) là tiêu chuẩn định tuyến thiết thực nhất cho LLNs vì nó được thiết kế cho đối
tượng IPv6 đối tượng của mạng IoT và đáp ứng nhu cầu xây dựng cấu trúc liên kết
động. RPL được chuẩn hóa bởi Internet Engineering Task Force (IETF) thực hiện
bởi nhóm định tuyến trên mạng công suất và tổn hao thấp (Working Group ROLL).
RPL thiết lập mơ hình khơng tuần hồn định hướng(DAG) làm đại diện
trong mạng. Có thể có nhiều DAG cho một mạng giống nhau nhưng với tiêu chí
định tuyến khác nhau như số liên kết truyền ước tính (ETX), độ trễ, số hop, năng
lượng node. Một DODAG (DAG định hướng đích) có một cấu trúc cây với một
node root duy nhất gọi là router biên. Mỗi node leaf có một Rank trên DAG mà
được tính tốn dựa trên hàm mục tiêu của DAG nhằm hướng đến mục đích của định
tuyến. Các node trên cây (ngoại trừ node root) được duy trì bởi một danh sách nhiều
parent và bầu chọn ra parent được ưu tiên nhất trong danh sách để làm tuyến đường
chính.


2

Root sẽ quảng bá một bảng tin thông tin đối tượng của DAG (DIO) chứa các
thông tin về đề xuất các đặc tính DAG, định tuyến hàm mục tiêu (OF) và cấp Rank.
Hàm mục tiêu OF bao gồm một bộ các số liệu và các ràng buộc, một tập hợp các
quy tắc tối ưu hóa riêng cho ứng dụng. Việc sắp xếp Rank cho biết vị trí của node
trong hệ thống phân cấp của DAG, nó cũng đại diện cho chỉ số định tuyến như liên
kết EXT, số hop, độ trễ.
Mỗi trường RPL trong một mạng bao gồm một hoặc một số DAG. Một node
có thể tham gia vào nhiều DAG khác nhau với điều kiện các DAG thuộc các trường
RPL khác nhau. Nhiều trường RPL mang lại nhiều khả năng đáp ứng khác nhau,
trong đó mỗi trường RPL tối ưu theo một mục tiêu ứng dụng cụ thể bằng cách sử
dụng các số liệu và ràng buộc phù hợp. Nhiều trường RPL thì hiệu quả để tạo ra các
cấu trúc cây khác nhau liên quan đến các yêu cầu chất lượng dịch vụ tương ứng. Ví
dụ, một node có thể tham gia một mơ hình DAG mà tối ưu độ tin cậy với một ứng
dụng nhất định và một mơ hình DAG tối ưu để có độ trễ thấp cho các ứng dụng
khác.
Nhiều giao thức định tuyến như LEACH, PEGASIS, CTP khơng hỗ trợ rộng
rãi nhiều ứng dụng vì chúng chỉ có thể phù hợp được với một ứng dụng cụ thể
(chẳng hạn như tiết kiệm năng lượng), nhưng tại một thời điểm không thể đáp úng
một yêu cầu ứng dụng khác (như độ bảo mật cao hoặc độ tin cậy cao). Trái với điều
này, với việc thực hiện nhiều trường RPL có thể đáp ứng các yêu cầu của nhiều ứng
dụng và chất lượng dịch vụ khác nhau của các luồng lưu lượng khác nhau.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để điều tra hiệu suất của RPL về sự hội tụ
của cây định tuyến, chi phí kiểm soát lưu lượng, tiêu thụ năng lượng, độ trễ, tỷ lệ
phân phối gói tin dưới sự hoạt động của một trường mạng duy nhất với một hàm
mục tiêu. Tuy nhiên, một vài bài báo nghiên cứu hoạt động và hiệu suất của nhiều
trường RPL. Khái niệm về nhiều trường được mô tả. Mạng mà bao gồm hai loại
node, một là node cảnh báo để tạo ra các gói tin cảnh báo và các node định kỳ gửi
các gói tin đến node root. Hai mơ hình trong một mạng được tạo ra cho luồng lưu
lượng dựa trên loại node và chỉ một hàm mục tiêu được sử dụng cho hai DAG của

hai trường. Điều này có nghĩa là việc sử dụng nhiều nhiều hàm mục tiêu của RPL


3

trong một mơ hình khơng được nghiên cứu đầy đủ. Các nghiên cứu khảo sát việc
thực hiện nhiều trường RPL trong một mạng 802.11b cho các lĩnh vực ứng dụng
lưới điện thông minh. Cách xử lý của nhiều trường RPL trong mạng 802.11b là
khơng giống như mạng 802.15.4 bởi vì mạng 802.15.4 có băng thơng thấp hơn so
với chuẩn 802.11b và có băng thơng tiết kiệm năng lượng thơng qua một lớp chu kỳ
công suất vô tuyến (RDC).
Giao thức định tuyến RPL cần phải tối ưu hóa cho các ứng dụng mạng cảm
biến khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu và sử dụng các nguồn lực hiệu quả hơn.
Cụ thể đó là việc sửa đổi các hàm mục tiêu OF để áp dụng cho việc cân bằng
tải trong q trình giao tiếp giữa các node. Nó cần phải chọn một đường đi mà giảm
thiểu các EXT và nếu có nhiều tuyến có cùng EXT hay EXT nằm trong một phạm
vi được xác định thì để giảm tối đa lượng gói tin chuyển đến bằng chuyển đến một
trong những đường trên. Điều này có nghĩa bất kỳ một node nào cũng khơng phải
q tải khi chuyển tiếp gói tin. Tức là mỗi node có nhiều parent, việc lựa chọn
parent sao cho phù hợp để có thể cân bằng tải, không gây tắt nghẽn và tiết kiệm
năng lượng.
Đề tài sẽ thực hiện mơ hình sử dụng nhiều hàm mục tiêu sử dụng giao thức
định tuyến RPL cho mạng cảm biến vô tuyến (WSN). Sử dụng mô phỏng Cooja của
contiki để mô phỏng cho môi trường vô tuyến IEEE 802.15.4. Đề tài sẽ khảo sát
năng lượng tiêu thụ, tỷ lệ mất gói, độ trễ, đánh giá hiệu suất của RPL và so sánh giá
trị của nó với khi dùng một hàm mục tiêu RPL.
1.2 Lý do chọn đề tài
Định tuyến trong IoT là một trong những thách thức lớn nhất bởi vì trong
LLNs chất lượng liên kết ln biến đổi bởi các vấn đề như nhiễu, biến đổi trở
kháng, … Do những đặc điểm này, tốc độ hội tụ nhanh của bảng định tuyến được

hình thành từ sự thay đổi trong mạng nội bộ mà không ảnh hưởng đến định tuyến
trong mạng toàn cầu để tránh mất ổn định và lặp vịng. Sự thay đổi mạng nội bộ thì
khả năng lựa chọn đường đi cho mỗi node là điều cần thiết, cũng như khi liên kết
với các node lân cận bị thất bại. Trong q trình truyền gói tin thì sẽ dẫn đến sự quá


4

tải ở các node, đặc biệt là các node root. Do đó, giải pháp cho việc cân bằng tải
trong RPL là hết sức cần thiết.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần tối ưu việc truyền các gói tin đảm bảo
truyền tải thông suốt, với việc sử dụng hai hàm mục tiêu OF cho cùng một mơ hình
DAG tránh q tải gây mất gói tại các node có Rank thấp.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra giải pháp giải quyết vấn đề cân bằng
tải trong giao thức định tuyến RPL của mạng cảm biến không dây tổn hao và năng
lượng thấp.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Về lý thuyết:
-

Thu thập tài liệu liên quan về lý thuyết mạng cảm biến không dây WSN, giao

thức định tuyến RPL trong mạng tổn hao năng lượng thấp (LLNs).
-

Những nghiên cứu về định tuyến trong nhiều trường RPL.

Về thực nghiệm:
-

Mô phỏng đề tài bằng ứng dụng Cooja trên hệ điều hành Contiki

-

Phân tích các dữ liệu thu được dựa trên cơ sở lý thuyết để đi đến kết luận


5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN WSN
2.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng
bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành
thấp, có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính tốn và trao đổi với các thiết bị
khác nhằm mục đích thu thập thơng tin tồn mạng để đưa ra các thông số về môi
trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát.
Các node cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát
dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kênh vô tuyến. Các thành phần của node
cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ
phận thu phát không dây, nguồn ni. Kích thước của các con cảm biến này thay
đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp khơng dây, cơng nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra
những con cảm biến có kích thuớc nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ
năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến khơng dây có một số đặc điểm sau:
-

Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.

-

Được triển khai với mật độ sensor lớn.

-

Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào fadinh và hư hỏng ở
các node.

-

Các node trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và
dung lượng nhớ.

-

Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.

-

Vị trí các node mạng cảm biến khơng cần thiết phải thiết kế hoặc xác định
trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp.


6

-

Khả năng phối hợp giữa các node cảm biến: các node cảm biến có gắn bộ xử

lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thơ tới đích thì chúng gửi dữ liệu đã
qua tính tốn đơn giản.

2.2.

Cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không

dùng được cho mạng cảm biến khơng dây, vì một số lý do sau:
-

Số lượng các node cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần
trong mạng ad hoc.

-

Các node cảm biến dễ bị lỗi

-

Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.

-

Các node cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu quảng bá, trong khi
hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.

-

Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính tốn và bộ nhớ.

-

Các node cảm biến có thể khơng có số nhận dạng tồn cầu (Global
identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng
lớn các node cảm biến.
Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải:

-

Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

-

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

-

Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.

-

Chia sẽ nhiệm vụ giữa các node lân cận.


7

2.2.1 Cấu trúc tồn mạng cảm biến khơng dây

Hình 2.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 2.1. Mỗi
node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình
trên. Các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager node)
qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thơng tin được u cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngồi mạng. Thực thể ngồi mạng có
thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm
biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như
Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm
biến trong mạng.
Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các node cảm
biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng
lượng rất khắc khe. Một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể khơng hoạt động nữa do
thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả


8

năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những
chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng khơng hoạt động.
Khả năng mở rộng: số lượng các node cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng
dụng cụ thể, có khi lên đến 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 tồn mạng. Nếu chi phí của tồn mạng đắt hơn chi phí triển khai sensor theo
kiểu truyền thống, như vậy mạng khơng có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của
mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp.

Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm
việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình.
Thêm vào đó, sự truyền thơng giữa hai node có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời
gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn. Lúc này, mạng cần có khả
năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này.
Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các node cảm
biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ,
tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động
khơng cần có người kiểm sốt, thích nghi với mơi trường…
Mơi 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 khơng cần giám sát ở những vùng xa xơi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các
máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nghiệt, ô nhiễm.
Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong
mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vơ tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện
quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới
để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.


9

Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn
node được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng
chục feet của mỗi node. Mật độ các node lên tới 20 node/m3. Do số lượng các node
cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến khơng dây, có thể coi là một thiết
bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V).
Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng khơng thể thực hiện được.
Vì thế khoảng thời gian sống của các node cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian

sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một node đóng vai trị 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 tại các gói và tổ
chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trị
quan trọng.
Bảo mật: các thơng tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường
dường như vơ hại nhưng việc giữ bí mật thơng tin và rất quan trọng. Các hoạt động
của một tịa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ và
ánh sáng của tịa nhà đó. Những thơng tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một
kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các
thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, giữ bảo mật trở nên rất quan
trọng. Không chỉ duy trì tính bí mật, nó cịn phải có khả năng xác thực dữ liệu
truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng
dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng
thơng. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó
ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian
sống mong đợi.
2.2.2. Cấu trúc của node cảm biến


10

Hình 2.2: Cấu tạo node cảm biến
Mỗi node cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản (xem hình 2.2):
-

Đơn vị cảm biến (sensing unit)

-

Đơn vị xử lý (processing unit)

-

Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

-

Bộ nguồn (power unit)
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng

như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự - số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi
sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết
định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định
sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng.
Một trong các phần quan trọng nhất của một node mạng cảm biến là bộ
nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng
lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng
ứng dụng. Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều


11

u cầu có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch
chuyển các node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất
cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.

2.3.

Tổng quan về IPv6

2.3.1. Đặc điểm
IPv6 được thiết kế với những đặc điểm như sau:
-

Mở rộng không gian địa chỉ: IPv6 sử dụng 128 bit để đánh địa chỉ, thay vì
chỉ sử dụng 32 bit như trong IPv4.

-

Tăng khả năng phân cấp địa chỉ: sử dụng 64 bit đầu tiên làm mã nhận dạng
mạng, 64 bit cuối làm địa chỉ Interface, nhằm mục đích phân biệt các
interface trong cùng một mạng.

-

Header được xây dựng đơn giản hơn: có chiều dài cố định và ít trường hơn
IPv4, tăng tốc độ xử lý, …

-

Đơn giản hóa việc đặt địa chỉ host: sử dụng 64 bit để đặt địa chỉ host, trong
đó đã sử dụng 48 bit địa chỉ MAC và đệm vào chuỗi FF:FE để tạo địa chỉ
host duy nhất trong mạng.

-

Tăng khả năng di động: Địa chỉ IPv6 được thiết kế với tính di động được
tích hợp vào trong Mobile IP cho phép các hệ thống đầu cuối thay đổi vị trí
mà không mất các kết nối. Đây là điểm rất cần thiết cho những sản phẩm
wireless chẳng hạn như IP phone và các hệ thống GPS, ...

-

Tăng khả năng bảo mật: IPv6 tích hợp tính năng bảo mật bằng cách sử dụng
2 header mở rộng: (AH) Authentication header và Encrypted Security
payload (ESP).

-

Quá trình tự động cấu hình đơn giản hơn.

-

Hiệu suất hoạt động tối ưu hơn.

2.3.2. Phân loại địa chỉ IPv6
Địa chỉ IPv6 được chia làm 3 loại chính:


12

-

Địa chỉ unicast: được sử dụng để xác định một Interface. Một gói tin có đích
đến là một địa chỉ unicast thông qua Routing sẽ chuyển đến một Interface
duy nhất trong mạng.

-

Địa chỉ Anycast: được sử dụng để xác định nhiều Interface. Tuy nhiên, gói
có địa chỉ đến là anycast sẽ thông qua routing để chuyển đến chỉ một node
trong số các Interface có cùng địa chỉ anycast, thơng thường là Interface gần
nhất.

-

Địa chỉ multicast: được sử dụng để xác định nhiều Interface, một gói có địa
chỉ đến là địa chỉ multicast sẽ thơng qua q trình routing để chuyển đến tất
cả những interface có cùng địa chỉ multicast. Như vậy, trong IPv6 khơng có
địa chỉ Broadcast, vì Broadcast đã được bao gồm trong nhóm địa chỉ
Multicast.

2.3.2.1.

Địa chỉ unicast

Nhóm địa chỉ unicast được chia làm 4 nhóm nhỏ:
-

Global Unicast address: Địa chỉ này được sử dụng để hỗ trợ cho các ISP Internet Service Provider (hình 2.3).

001

TLA ID RES NLA
13 bits

ID SLA ID Interface

8bits 24 bits

16 bits

ID

64 bits

Hình 2.3: Địa chỉ global unicast
o TLA ID (Top Level Aggregation): xác định nhà cung cấp cao nhất
trong hệ thống các nhà cung cấp dịch vụ.
o Res: chưa được sử dụng.
o NLA ID (Next Level Aggregation): Xác định nhà cung cấp tiếp theo
trong hệ thống các nhà cung cấp dịch vụ.
o SLA ID (Site Level Aggregation): Xác định các site để tạo các subnet.
o Interface ID: địa chỉ của Interface trong subnet.
-

Link – local Addresses: Là loại địa chỉ được sử dụng cho các host khi chúng
muốn giao tiếp với các host neighbor khác trong cùng một mạng. Tất cả các
IPv6 của các interface đều có địa chỉ link local. Trong địa chỉ link – local


13

(hình 2.4), 64 bit địa chỉ đầu tiên ln cố định (prefix: fe80::/64), 64 bit cuối
là địa chỉ của Interface. Các router khơng thể chuyển bất kỳ gói tin nào có
địa chỉ đích là một địa chỉ link – local. (Link-local Add chỉ sử dụng trong

mạng nội bộ).

Hình 2.4: Địa chỉ link-local

-

Site – local address: Là loại địa chỉ được sử dụng trong những hệ thống nội
bộ (Intranet). Phạm vi sử dụng là trong cùng một site. Loại địa chỉ này ln
có prefix cố định là FEC0::/10 (10 bit đầu tiên) (hình 2.5).
10bits

38bits

16bits

64bits

1111111011

000…000

Subnet ID

Interface ID

Hình 2.5: Cấu trúc site-local address
-

Unique local address: Là địa chỉ được sử dụng để định tuyến giữa các
subnet trên cùng một private network (hình 2.6). 8 bit đầu tiên là prefix cố

định FD00::/8. 40 bit kế tiếp là địa chỉ site có thể gán tùy ý và 16 bit tiếp
theo được sử dụng làm địa chỉ subnet trong site.


14

Subnet Prefix

8bits

40bits

16bist

64bits

FD

Global ID

Subnet

Interface ID

Hình 2.6: Cấu trúc unique local address

2.3.2.2.

Địa chỉ anycast

Địa chỉ Anycast là một loại địa chỉ đặc biệt trong IPv6, gói tin chuyển đến
địa chỉ Anycast qua quá trình routing được hệ thống chuyển đến interface gần nhất.
Loại địa chỉ này chỉ được sử dụng để đặt cho router và không được phép đặt cho
các host, đồng thời cũng không được sử dụng làm địa chỉ nguồn cho các gói tin
IPv6.
2.3.2.3.

Địa chỉ multicast

Địa chỉ multicast (hình 2.7) cũng được sử dụng để nhận dạng một tập hợp
các node trong mạng. Tuy nhiên khác với địa chỉ Anycast, một gói tin có địa chỉ
đích là một địa chỉ Multicast, sẽ được chuyển đến tất cả các node có cùng địa chỉ
Multicast đó. Địa chỉ multicast được phân biệt với địa chỉ unicast bởi vì chúng ln
bắt đầu với 0xFF. Mỗi interface IPv6 được gán địa chỉ multicast biết chúng thuộc
nhóm multicast nào. Một gói tin được xử lý bởi những interface thuộc về nhóm
multicast đó. IPv6 sử dụng multicast thay cho broadcast.
8bits

4bits

4bits

112bits

FF

Flag

Scope

Group ID

Hình 2.7: Cấu trúc địa chỉ multicast
-

Octet đầu tiên: 1111 1111, định nghĩa đây là địa chỉ multicast.