HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHẠM MINH TUẤN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA Chuyên

Bản ghi

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG PHẠM MINH TUẤN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS ĐẶNG VĂN CHUYẾT HÀ NỘI

2 i LỜI CAM ĐOAN Tôi - Phạm Minh Tuấn - cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Đặng Văn Chuyết. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Phạm Minh Tuấn

3 ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nghiên cứu và cố gắng của bản thân, em xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Đặng Văn Chuyết (Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông trường đại học Bách Khoa Hà Nội) là giáo viên trực tiếp hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em tr ong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn tới T S. Ngô Quỳnh Thu (bộ môn Truyền thông và Mạng máy tính Viện Công nghệ Thông tin và Truyền thông, trường đại học Bách Khoa Hà Nội) đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giảng dạy và dìu dắt em trong trong su ốt quá trình học tập tại trường từ khi còn học đại học cho đến sau đại học. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo VNPT Cao Bằng, gia đình, bạn bè và những người đã luôn ở bên cổ vũ tinh thần, tạo điều kiện thuận lợi cho em để em có thể học tập tốt. Em xin chân thành cảm ơn!

4 iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...v DANH MỤC CÁC BẢNG...vi DANH MỤC CÁC HÌNH...vii MỞ ĐẦU...1 CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) Giới thiệu chung Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Ảo hóa mạng cảm biến không dây Khái niệm Mục tiêu của ảo hóa Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa...13 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Thách thức của định tuyến trong mạng cảm biến không dây Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Giao thức EMRP Pha thiết lập Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng Pha truyền tải dữ liệu Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa Cải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến không dây ảo hóa Pha khởi tạo Pha thành lập nhóm...36

5 iv Pha truyền dữ liệu...36 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Công cụ mô phỏng OMNeT Mô hình mô phỏng trong OMNeT Xây dựng và chạy thử mô hình mô phỏng Kịch bản mô phỏng Thiết kế kich bản mô phỏng Thiết kế kich bản mô phỏng Cài đặt mô phỏng Cài đặt OMNeT++: Xây dựng chương trình mô phỏng Thử nghiệm và đánh giá kết quả Mô phỏng thử nghiệm Phân tích kết quả mô phỏng Đánh giá kết quả và hướng phát triển...53 KẾT LUẬN...55 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO...57

6 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt BS CH EMRP GPS HEED LEACH LLNs OEDSR OMNeT++ PEGASIS SGR SInP TEEN VSGR VSN VITRO SVNSP WSN Viết đầy đủ Base Station Cluster Head Energy-Awared Meshed Routing Protocol Global Positioning System A hybrid, Energy-efficient, Distributed Clustering Approach for Ad-hoc Networks Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Low power and lossy networks Optimized Energy-Delay Sub-network Routing Objective Modular Network Tested in C++ Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Sensor Gateway Router Sensor Infrastructure Provider Threshold-Sensitive Energy Efficient Protocols Vitual Sensor Gateway Router Virtual Sensor Network Virtualized distributed platform of smart Object Sensor Virtualization Network Service Provider Wireless Sensor Network

7 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong kịch bản mô phỏng Bảng 3.2 Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng Bảng 3.3 Thời gian sống toàn mạng và thời gian nút đầu tiên hết năng lượng trong kịch bản mô phỏng Bảng 3.4 Tỉ lệ lỗi truyển gói tin của mỗi mạng ảo trong kịch bản mô phỏng

8 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Kiến trúc mạng VSN...11 Hình Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ cùng một vùng địa lý và hợp tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích (S)...13 Hình 1.3 Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN khác nhau và các mạng phân tán về địa lý...14 Hình 1.4 Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không gian của một luồng hóa chất...15 Hình Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng ảo giám sát 2 thông số khác nhau...16 Hình Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập...24 Hình Mô hình mạng hai mức liên kết trong EMRP...27 Hình Lưu đồ hoạt động pha truyền tải dữ liệu của EMRP...29 Hình 3.1 Cấu trúc module NED...40 Hình 3.2 Start OMNet Hình 3.3 Giao diện IDE của OMNeT Hình 3.4 Thông số cấu hình trong file omnetpp.ini...50 Hình 3.5 Quá trình mô phỏng...50

9 1 MỞ ĐẦU Hiện nay, rất nhiều mạng cảm biến không dây ( Wireless Sensor Network - WSN) đã và đang được phát triển và chiếm vai trò rất quan trọng trong nhiều ứng dụng như: quản lý ngôi nhà thông minh, chăm sóc sức khỏe và tự động hóa trong công nghiệp. Tuy nhiên các WSN truyền thống chỉ cho phép chạy một ứng dụng trên nó và không thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến không đồng nhất để thực hiện một nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra khái niệm mới là ảo hóa mạng cảm biến không dây (VSN). Ảo hóa mạng cảm biến không dây là việc cho phép nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ tầng vật lý, khiến cho các mạng trở nên linh hoạt, đáp ứng được mục tiêu đa dạng khác nhau của nhiều loại dịch vụ. Cho tới thời điểm hiện nay, những nghiên cứu về vấn đề ảo hóa trong mạng cảm biến không dây chưa có nhiều. Đây là một đề tài tương đối mới, nhưng lại có tầm quan trọng không hề nhỏ vì những lợi ích thiết thực mà ảo hóa có thể mang lại. Việc cho phép nhiều mạng cảm biến không đồng nhất có thể cùng tồn tại trên một hạ tầng vật lý sẽ đem lại hiệu quả về mặt tiết kiệm chi phí phần cứng, chi phí quản lý cho các ứng dụng triển khai. Việc ảo hóa mạng cảm biến không dây còn tạo ra sự linh hoạt, đa dạng và được ứng dụng trong nhiều trường hợp tương đối phức tạp mà mạng cảm biến không dây thông thường khó có thể đáp ứng được. Vấn đề định tuyến trong ảo hóa mạng cảm biến không dây sao cho phù hợp với các yêu cầu như khả năng mở rộng, tiết kiệm năng lượng đặt ra những thách thức không nhỏ bởi các giao thức định tuyến cần có thêm một số yêu c ầu riêng so với các giao thức định tuyến không có ảo hóa để đáp ứng được những yêu cầu mà ảo hóa đặt ra. Chính vì vậy, cần phải có những thay đổi nhất định trên các giao thức định tuyến để chúng có thể được sử dụng trong mạng cảm biến không dây ảo hóa. Do đó trong luận văn này, em sẽ dựa vào giao thức định tuyến EMRP là giao thức

10 2 định đường đa kênh có tối ưu năng lượng, cải tiến nó để đáp ứng được các yêu cầu của mạng cảm biến không dây ảo hóa. Nội dung của luận văn được tổ chức như sau: CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương này sẽ trình bày một số lý thuyết cơ bản về mạng cảm biến không dây, đặc điểm của mạng cảm biến không dây và ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Trên cơ sở đó, trình bày một số lý thuyết về ảo hóa mạng cảm biến không dây, kiến trúc chung của mạng cảm biến không dây ảo hóa, mục tiêu của ảo hóa và một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa. CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA Chương này sẽ trình bày về các đặc điểm khác biệt của yêu cầu định tuyến trong mạng cảm biến không dây so với định tuyến trong các mạng thông thường. Trình bày các yêu cầu định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa. Giới thiệu về giao thức định tuyến EMRP và cải tiến EMRP dùng cho ảo hóa. CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Thiết kế các kịch bản mô phỏng, thiết lập mạng, thông số định tuyến và xây dựng các hàm mục tiêu cho các kịch bản mô phỏng. Lựa chọn công cụ mô phỏng cài đặt thử nghiệm và đánh giá kết quả. Do thời gian thực hiện có hạn, đề tài nghiên cứu về một vấn đề tương đối mới do đó chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót cần được sửa chữa và bổ sung. Em rất mong nhận được sự giúp đỡ cùng những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và bạn bè để em có thể tiếp tục hoàn thiện đề tài này.

11 3 CHƯƠNG 1: ẢO HÓA TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN) Giới thiệu chung Mạng cảm biến không dây ( Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác qua các kết nối không dây nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các xử lý, quyết định về môi trường quan sát. Các nút cảm biến là các cảm biến có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu thập dữ liệu, thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu là qua kênh vô tuyến. Các thành phần của nút cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn năng lượng. Kích thước của các nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến trạm gốc. Trạm gốc (Base Station- BS) có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Trạm gốc là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Trạm gốc có thể là thực thể bên trọng mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị ví dụ như máy tính xách tay có thể tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng có thể đơn thuần chỉ là một cầu nối để nối với mạng khác lớn hơn như mạng Internet nơi mà có các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ các nút cảm biến trong mạng. Lưu lượng dữ liệu thông qua WSN là thấp và không liên tục. Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động và trạng thái nghỉ khác nhau. Thông thường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến không dây và một mạng không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt

12 4 động, cấu hình mạng, lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trong trạng thái hoạt động. WSN ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc thiết bị để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu. WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robot, thiết bị thông minh, môi trường, y tế. WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp dân dụng. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến đã tạo ra những cảm biến có kích thước 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 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến, các nút này có tài nguyên hạn chế kết nối với nhau qua giao tiếp vô tuyến thực hiện nhiệm vụ theo dõi và thu thập dữ liệu về trung tâm. Trạm gốc là nơi nhậ n dữ liệu gửi về từ các cảm biến, xử lý và phân tích dữ liệu để đưa ra thông tin và phản ứng thích hợp với môi trường. Ví dụ như điều khiển thiết bị nhiệt độ, cảnh báo động đất hay thống kê dữ liệu về môi trường. Cấu trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống. Sau đây là một số đặc điểm nổi bật cần chú ý của mạng cảm biến không dây: - Môi trường hoạt động: mạng cảm biến thường là khu vực đặc biệt như khu vực địa hình hiểm trở, khu vực ô nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với môi trường.do đó lỗi vật lý hay việc hết năng lượng có khả năng xuất hiện trên các nút mạng. - Số lượng các nút cảm biến : mạng cảm biến có số lượng các nút là rất lớn có thể tới hàng trăm, hàng nghìn nút triển khai với mật độ cao, thuật toán

13 5 định tuyến cần có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút mạng phân bổ trên diện tích rộng. - Năng lượng của các nút cảm biến: trong mạng cảm biến các nút thường được cung cấp năng lượng bằng pin và được triển khai trong môi trường khắc nhiệt, những nơi rất khó để thay thế hoặc nạp lại pin. - Các hạn chế khắc khe về năng lượng, khả năng tính toán và lưu trữ: các nút cảm biến có kích thước nhỏ, khả năng tính toán và lưu trữ hạn chế, sử dụng pin nên năng lượng hoạt động hạn chế. - Khả năng tự cấu hình: vì các nút cảm biến thường được triển khai một cách ngẫu nhiên và chúng tự hình thành một mạng truyền thông. - Dư thừa dữ liệu: trong đa số ứng dụng, các nút cảm biến được triển khai dày đặc trong một vùng quan tâm, cộng tác với nhau để hoàn thành nhiệm vụ cảm biến dữ liệu. Do đó, dữ liệu được gửi từ nhiều nút có mức độ tương quan, dư thừa nhất định. - Phụ thuộc ứng dụng: một mạng cảm biến không dây thường được thiết kế và triển khai cho một ứng dụng cụ thể. Các yêu cầu thiết kế của mạng cảm biến thay đổi tùy theo ứng dụng của nó. - Kiểu lưu lượng nhiều một: hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến, dữ liệu cảm biến được truyền theo luồng từ nhiều nút cảm biến đổ về một trung tâm nào đó, hình thành nên kiểu lưu lượng nhiều một. - Topo thay đổi thường xuyên: Topo mạng có thể thay đổi thường xuyên do nút bị lỗi, hỏng, hết năng lượng, được thêm vào, bỏ bớt đi. - Giao tiếp không dây: giao tiếp trong mạng cảm biến là giao tiếp không dây do đó các vấn đề về truyền dẫn cần lưu tâm đến là khoảng cách truyền, độ suy hao tín hiệu, năng lượng truyền dẫn Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Ứng dụng trong môi trường, ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong gia

14 6 đình, ứng dụng trong công nghiệp, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng tro ng quân đội.cụ thể như: Ứng dụng trong môi trường Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt. Một số ứng dụng quan trọng như: Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói Các dữ liệu thu thập được truyền qua các nút tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng. Cảnh báo lũ lụt: hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm. Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: các cảm biến về độ rung đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xả y ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe Một ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi cảm biến khác phát hiện áp suất máu Ứng dụng trong gia đình Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các p hòng để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.

15 Ứng dụng trong công nghiệp Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời kì lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để thông báo các đặc điểm của chúng. Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút. Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, cảm biến sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn. Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container ở cảng. Mỗi một container sẽ có một nút mạng trong mạng cảm biến và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm điểm từ container này đến container khác. Thông tin về tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán. Nhờ đó tàu chứa các conteiner có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database) Ứng dụng trong nông nghiệp Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên các thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp. Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát Ứng dụng trong quân đội Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược : các người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các

16 8 thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược được gắn với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái. Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút đích để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn. Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường và giám sát lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu và một vài nơi quan trọng có địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn, các chỗ eo hẹp để có thể giám sát đánh giá sự mức độ nguy hiểm của chiến trường, theo dõi các hoạt động của quân địch. Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân. Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm trọng. 1.2 Ảo hóa mạng cảm biến không dây Khái niệm Ảo hóa mạng cảm biến là một phương pháp tiếp cận mới cho phép các tập hợp con các nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Do đó, nhiều mạng cảm biến ảo ( Virtual Sensor Network - VSN) có thể tồn tại đồng thời trên một mạng cảm biến không dây vật lý, và các thành phần của VSN có thể th ay đổi theo thời gian. Một mạng cảm biến ảo (VSN) được hình thành bởi một tập hợp con của các nút cảm biến của mạng cảm biến không dây WSN. Tập hợp con này là dành riêng cho một nhiệm vụ nhất định hoặc một ứng dụng tại một thời điểm nhất định. Trong mạng cảm biến không dây thông thường, tất cả các nút trong mạng cộng tác với nhau như những đối tác bình đẳng để đạt được một kết quả chung. Khác với mạng cảm biến không dây thông thường, tập hợp con của các nút thuộc một mạng cảm

17 9 biến ảo VSN cộng tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể. Ngoài việc cộng tác giữa các nút trong cùng một mạng ảo, các mạng ảo cũng phải hợp tác với nhau để hỗ trợ nhau trong các ứng dụng, tạo nên một thể thống nhất giữa các nút trong mạng. Vì vậy, một mạng cảm biến ảo cũng phụ thuộc vào các nút còn lại trong các mạng cảm biến ảo khác để cung cấp chức năng hỗ trợ hoạt động nó, giúp tạo ra và duy trì hoạt động của toàn mạng. Trong đó, nhiều mạng cảm biến ảo có thể tồn tại đồng thời trên một mạng cảm biến không dây vật lý, và các thành viên của mỗi mạng ảo có thể thay đổi theo thời gian. Khi các nút trong các mạng ảo được phân tán qua cùng mạng vật lý, chúng có thể không có khả năng giao tiếp trực tiếp với nhau Mục tiêu của ảo hóa Các mục tiêu của ảo hóa trong mạng cảm biến không dây bao gồm: + Sử dụng các thiết bị, dịch vụ không đồng nhất: Ảo hóa tài nguyên (Resource Virtualisation): Tài nguyên của mạng và nút đóng một vai trò quan trọng ở tất cả các lớp của một mạng cảm biến không dây VSN. Giả sử một VSN sẽ bao gồm các thiết bị không đồng nhất với khả năng và tài nguyên kết nối khác nhau: - Các tài nguyên kết nối: Khi có các thiết bị không đồng nhất thì hệ thống cũng có thể khác nhau về khả năng giao tiếp, để tối ưu hóa hiệu su ất hệ thống, định tuyến có thể tận dụng các khả năng của hàng xóm không đồng nhất. Như vậy, phạm vi truyền tải cảm biến hoặc các giao diện không dây hỗ trợ sẽ được xem xét như một thuộc tính được tính đến khi quyết định định tuyến được thực hiện. - Điều khiển tài nguyên động: Các thiết bị (không đồng nhất) trong một VSN tiêu thụ năng lượng phụ thuộc vào một số thông số hoạt động, chúng có thể được điều chỉnh tự động để kéo dài tuổi thọ mạng. Ảo hóa các dịch vụ bảo mật (Security services Virtualisation): mức độ bảo mật khác nhau phải được hỗ trợ để cải thiện khả năng tiếp cận các điểm đến cho các thông báo mục đích đặc biệt. Các thông điệp này có thể bao gồm các tin nhắn

18 10 báo động liên quan đến dịch vụ, thông điệp phát hiện trong đó có ưu tiên cao hơn, quan trọng hơn. Phân biệt mức độ bảo mật khác nhau có nghĩa là các ứng dụng chạy trong VSN phải được phân loại các mức hỗ trợ. Tăng cường an ninh, một chương trình quản lý đáng tin cậy, phù hợp sẽ được thiết kế và xác nhận. + Tăng khả năng trao đổi tin cậy ( Trust exchange): Các khía cạnh khác nhau của nút không đồng nhất sẽ được theo dõi để đánh giá sự tin cậy của các nút liên quan đến một tập hợp các chức năng. + Quản lý mức năng lượng/ Trạng thái nút (Energy level/ Node status): Để cải thiện độ tin cậy mạng, các yêu cầu các nút báo cáo tình trạng của chúng và mức năng lượng được thực thi. Thông tin này cũng có giá trị cho các giao thức định tuyến, vì có tính đế n mức độ năng lượng của nút hàng xóm. + Khả năng mở rộng và tính d i động (Scalability and mobility): Nhờ lợi ích của VSN, tất cả các nút tham gia vào VSN phải hợp tác để xây dựng sự tin cậy và mục đích định tuyến. Mặc dù mục tiêu ảo hóa là giảm số lượng thiết bị được cài đặt trong một khu vực bằng cách khai thác các thiết bị cảm biến đã được cài đặt, số lượng các nút trong vùng có thể dao động trong môi trường không kiểm soát được. Vì vậy, các giao thức bắt buộc phải hỗ trợ cả khả năng mở rộng và tính di động Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa Kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa bao gồm lớp hạ tầng vật lý, lớp quản lý dịch vụ và lớp người sử dụng ứng dụng được mô tả như trong hình 1.1.

19 11 Hình Kiến trúc mạng VSN Trong WSN, nhà cung cấp cơ sở hạ tầng và cung cấp dịch vụ là cùng một thực thể. Nhưng do nhu cầu gia tăng của các WSN dẫn đến cần phân biệt giữa vai trò của các nhà cung cấp cơ sở hạ tầng WSN và các nhà cung cấp dịch vụ. Mục đích chính là để giảm thiểu các chi phí thành lập và chi phí quản lý Sự khác biệt chính giữa những người tham gia trong mô hình mạng cảm biến ảo và mô hình truyền thống là sự hiện diện của hai vai trò khác nhau: SInP- nhà cung cấp cơ sở hạ tầng cảm biến và SVNSP nhà cung cấp dịch vụ cảm biến. Trong kiến trúc mạng cảm biến ảo đã được đề xuất, môi trường VSN là một tập hợp nhiều mạng cảm biến phức tạp từ những SInPs khác nhau. Mỗi SVNSP thuê tài nguyên từ một hoặc nhiều SInPs để tạo thành VSN, và triển khai giao thức và dịch vụ tùy biến hơn các nguồn tài nguyên VSN được thuê. Các modun riêng biệt của kiến trúc đề xuất được thể hiện trong hình 1.1.

20 12 Nhà cung cấp cơ sở hạ tầng cảm biến (Sensor Infrastructure Provider SInP): triển khai và quản lý các mạng cảm biến trong lớp hạ tầng vật lý. Những mạng này bao gồm các loại cảm biến khác nhau. Giữa các nút cảm biến có một bộ định tuyến cổng cảm biến (SGR Sensor Gateway Router) hoạt động như nút gốc. Tất cả các SGR được cung cấp đầy đủ năng lượng, có khả năng tính toán và được kết nối thông qua mạng không dây tốc độ cao. SGR có thể lưu trữ bộ định tuyến cổng cảm biến ảo (VSGR Vitual Sensor Gateway Router) khác nhau. Chúng cung cấp tài nguyên của chúng thông qua các giao diện lập trình tới SVNSP khác nhau. SInP được phân biệt thông qua các loại dịch vụ mà họ cung cấp. SInP có thể triển khai các nút cảm biến để làm cơ sở hạ tầng riêng của họ hoặc có thể cho các nhà cung cấp dịch vụ ảo hóa khác thuê để chạy ứng dụng cá nhân của họ. Điều đó giúp tăng hiệu quả sử dụng của các nút cảm biến vật lý trong một mạng cảm biến liên kết quy mô lớn. Trong hình 1.1 các nút cảm biến khác nhau được triển khai ở các khu vực khác nhau để tạo ra một mạng cảm biến liên kết. Tuy nhiên, người sử dụng có thể yêu cầu các loại dịch vụ cụ thể. Dịch vụ cụ thể này có thể có sẵn cho người sử dụng thông qua bộ định tuyến cổng cảm biến ảo. Nhà cung cấp dịch vụ mạng cảm biến ảo (Sensor Virtu alization Network Service Provider SVNSP): thuê nguồn tài nguyên như bộ xử lý, bộ nhớ và băng thông từ nhiều nhà cung cấp hạ tầng SInP để triển khai VSN trong lớp quản lý dịch vụ. Trong hình 1.1 có 2 SVNSP là : SVNSP-1 và SVNSP-2, cả hai nhà cung cấp dịch vụ SVNSP đều bao gồm các tài nguyên thuê từ SInP. Cả hai SVNSP cung cấp các loại dịch vụ mạng ảo khác nhau đến người sử dụng dịch vụ trong chế động trong suốt với người sử dụng. Các liên kết ảo giữa hai VSGR cũng là liên kết không dây thuê từ SInP. Một SVNSP có thể cung cấp các dịch vụ mạng tới nhiều SVNSP khác. Người sử dụng ứng dụng (Application Level User - ALU): trong kiến trúc VSN tương tự như những WSN hiện có, ngoại trừ sự tồn tại của nhiều SVNSP cung cấp từ SInP cung cấp một loạt các lựa chọn. Bất kỳ người dùng nào cũng có thể kết

21 13 nối với nhiều VSN từ những SInP khác nhau cho nhiều ứng dụng. VSN giấu sự phức tạp của SInP với người sử dụng dịch vụ Một số lớp ứng dụng của mạng cảm biến không dây ảo hóa Có 4 lớp ứng dụng cơ bản của mạng cảm biế n không dây ảo hóa: Lớp ứng dụng 1- Các ứng dụng chồng chéo địa lý: Hai hoặc nhiều mạng cùng bao phủ một không gian địa lý với các nút cảm biến không đồng nhất được triển khai và đem lại lợi ích nhất định từ sự cộng tác của các nút mạng chủ yếu trong việc giảm số lượng các nút cảm biến của từng loại mà không làm mất đi độ chính xác hoặc làm giảm chức năng của người dùng yêu cầu. Cách tiếp cận này góp phần vào làm giảm chi phí một cách hiệu quả với việc sử dụng khéo léo các mạng cảm biến triển khai trước đây và giúp phát triển và bổ sung thêm những loại mới của các nút cảm biến trong tương lai mà không cần phải triển khai một mạng cảm biến đầy đủ từ đầu. Hình Ứng dụng bao phủ các không gian địa lý, các nút khác nhau bao phủ cùng một vùng địa lý và hợ p tác với nhau để truyền dữ liệu từ nguồn (A1) về đích (S) Lớp ứng dụng 2 Kết nối các mạng cảm biến phân tán về địa lý: các ứng dụng hoạt động trên các mạng địa lý phân tán tương tác với nhau như thể chúng là

22 14 một mạng rộng lớn cung cấp dịch vụ một cách thống nhất (theo dõi nhiều tòa nhà hoặc các vị trí trong các thành phố, tiểu bang, theo dõi vận chuyển hàng hóa ). Nó có thể đáp ứng cho các ứng dụng này yêu cầu sự hợp tác của các đối tượng thông minh không đồng nhất về loai, các nền tảng và công nghệ, di động hoặc tĩnh, cảm biến, thiết bị truyền động hoặc bộ xử lý nhúng được điều khiển bởi nhiều nhà quản lý khác nhau. Hình 1.3 Sự hợp tác của các đối tượng thông minh trên các domain quản lý WSN khác nhau và các mạng phân tán về địa lý Lớp ứng dụng 3- Ứng dụng với các kết nối mạng vật lý biến đổi theo thời gian: Một tình huống rất ít khi sảy ra, những nơi có sự thay đổi về không gian theo thời gian là một trường hợp của ứng dụng VSN này. Một ví dụ là một luồng các chất hóa học chảy dưới lòng đất có thể được coi như một hiện tượng diễn ra trong thời gian ngắn được phân bố theo không gian và thời gian. Trong trường hợp này một VSN triển khai có thể được chia làm hai theo thời gian hoặc ngược lại hai luồng có thể hợp nhất thành một tùy theo dòng chảy của lu ồng hóa chất. Ở đây có thể hình thành một VSN có thể thay đổi hoặc dự đoán sự di chuyển của luồng hóa

23 15 chất. Ví dụ, trong hình 1.4 các nút cảm biến với các mũi tên màu trắng tạo thành một mạng cảm biến không dây biến đổi theo thời gian với sự tham gia của các nút thuộc luồng. Các thành viên trong VSN hoàn toàn tự động tính toán các thông số khác nhau tồn tại trong kết nối của lớp vật lý, cái mà có thể thay đổi theo thời gian. Hình 1.4 Mạng cảm biến ảo hình thành theo yêu cầu theo dõi sự phân bố không gian của một luồng hóa chất Lớp ứng dụng 4- Phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích: Trong trường hợp này cùng một nút vật lý được sử dụng trong hai hoặc nhiều mạng khác nhau do các yêu cầu ứng dụng khác nhau. Một cách để sử dung chung các mạng VSN là sự phân tách của các nút cảm biến nhiều yếu tố khác nhau trong các mạng cảm biến khác nhau, các nút này chịu trách nhiệm theo dõi các thông số cảm biến khác nhau trong một thời điểm nhất định. Sử dụng phương pháp này các nút sẽ được quản lý một cách tốt hơn và khả năng sử dụng của các nút được tăng cường, từ đó số lượng người dùng cuối tiếp cận các dịch vụ sẽ được tăng lên và dễ dàng điều khiển các thông tin cảm biến phụ thuộc nhu cầu người dùng.

24 16 Hình Ứng dụng phân tách logic của mạng cảm biến đa mục đích với 2 mạng ảo giám sát 2 thông số khác nhau Kết luận Chương 1 này đã giới thiệu cơ bản về mạng cảm biến không dây, các đặc điểm của mạng cảm biến không dây, một số ví dụ về ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Tuy nhiên các mạng cảm biến không dây truyền thống chỉ cho phép chạy một ứng dụng trên nó và không thể kết hợp trong WSN với các bộ cảm biến không đồng nhất để thực hiện một nhiệm vụ chung. Vì vậy để khắc phục nhược điểm này người ta đưa ra khái niệm mới là ảo hóa mạng cảm biến không dây. Các khái niệm, mục tiêu của ảo hóa mạng cảm biến không dây cũng như kiến trúc của mạng cảm biến không dây ảo hóa, các ứng dụng của mạng cảm biến được trình bày cụ thể trong chương này. Một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây chính là vấn đề định tuyến do các giới hạn về năng lượng, giới hạn về tài nguyên, yêu cầu mở rộng...ngoài ra, do các yêu cầu của các dịch vụ rất đa dạng, phức tạp và khác nhau

25 17 đối với mỗi dịch vụ, kéo theo đó cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo cũng khác nhau. Vì thế định tuyến có vai trò vô cùng quan trọng và then chốt trong trong việc ảo hóa mạng cảm biến không dây. Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây vào trong việc ảo hóa mạng cảm biến không dây sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2.

26 18 CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DÙNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA 2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây Thách thức của định tuyến trong mạng cảm biến không dây Mục tiêu chính trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây là truyền tải dữ liệu trong khi vẫn duy trì năng lượng hoạt động của hệ thống mạng và ngăn chặn sự sụt giảm kết nối bằng cách sử dụng phương pháp quản lý năng lượng linh hoạt. Kiến trúc của giao thức định tuyến trong mạng WSN chịu ảnh hưởng từ nhiều yêu cầu đặt ra. Các thách thức này cần phải được vượt qua trước khi có thể đạt được một phương pháp truyền thông hiệu quả trong mạng WSN. Dưới đây là một số thách thức và vấn đề có thể ảnh hưởng quá trình định tuyến trong mạng WSN. - Giới hạn về năng lượng: do các nút cảm biến sử dụng pin nên chúng có những giới hạn về năng lượng. Năng lượng đặt ra một thách thức lớn cho thiết kế mạng trong môi trường khắc nghiệt. Hơn nữa khi năng lượng của một nút cảm biến xuống đến một mức nào đó, nút cảm biến có thể trở nên bất ổn, không thể thực hiện chính xác chức năng của mình làm ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng. Do đó, các giao thức định tuyến thiết kế cho mạng cảm biến nên tiết kiệm năng lượng để nâng cao tuổi thọ mạng trong khi đảm bảo hoạt động của mạng. - Vị trí nút cảm biến: Một thách thức khác phải đối mặt của thiết kế giao thức định tuyến là quản lý vị trí của các cảm biến. Đa số các giao thức giả sử dựa vào các thiết bị GPS để biết được vị trí của nút cảm biến. - Giới hạn về tài nguyên phần cứng: Bên cạnh giới hạn năng lượng, các nút cảm biến còn hạn chế về khả năng xử lý và lưu trữ, và do đó nó chỉ thực hiện các chức năng tính toán hạn chế. Các ràng buộc về phần cứng đặt ra nhiều thách thức trong phát triển phần mềm và thiết kế giao thức định

27 19 tuyến cho mạng cảm biến. Chúng ta phải xem xét không chỉ hạn chế về năng lượng mà còn cả khả năng xử lý và lưu trữ của các nút cảm biến. - Sự phân bố các nút cảm biến: Các nút cảm biến triển khai trong mạng cảm biến không dây tùy thuộc vào ứng dụng, có thể là thủ công hay ngẫu nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của giao thức định tuyến. Trong hầu hết các ứng dụng, các nút cảm biến được dải ngẫu nhiên trong một phạm vi quan tâm. Nếu kết quả triển khai nút không đồng đều, việc phân cụm tối ưu là cần thiết để cho phép kết nối và sử dụng hiệu quả năng lượng. - Các đặc tính mạng và môi trường không tin cậy: Một mạng cảm biến thường hoạt động trong môi trường động và không tin cậy. Topo mạng được hình thành từ các nút cảm biến và liên kết truyền giữa cảm biến thay đổi thường xuyên do cảm biến được thêm vào, lo ại ra, hết năng lượng, lỗi Hơn nữa, cá nút cảm biến được liên kết với nhau bởi môi trường không dây năng lượng thấp với nhiễu, khả năng lỗi cao. Vì thế, định tuyến nên được coi như topo mạng động do giới hạn về năng lượng và tính di động của cảm biến cũng như tăng kích thước của mạng để duy trì các yêu cầu cụ thể của ứng dụng về tính kết nối và phạm vi bao phủ. - Tổng hợp dữ liệu: Các nút cảm biến có thể tạo ra các dữ liệu dư thừa, các thông tin giống nhau từ nhiều nút có thể được tập hợp lại giúp số lượng dữ liệu cần truyền có thể giảm xuống. Tổng hợp dữ liệu là việc kết hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau dựa trên hàm gộp nhất định. VD: lược bỏ trùng, cực tiểu, cực đại hay trung bình. Kỹ thuật này được sử dụng để tận dụng hiệu quả năng lượng và tinh chỉnh v iệc truyền tải dữ liệu trong một số các giao thức định tuyến. - Các yêu cầu đa dạng của các ứng dụng cảm biến: Mạng cảm biến có nhiều ứng dụng đa dạng. Không giao thức nào có thể đáp ứng được các yêu cầu của tất cả các ứng dụng.

28 20 - Khả năng mở rộng: Giao thức định tuyến nên có khả năng mở rộng kích thước mạng. Hơn nữa, các cảm biến có thể không nhất thiết có khả năng về năng lượng, xử lý, cảm biến và truyền thông giống nhau. Do đó liên kết truyền thông giữa các cảm biến có thể không đối xứng, một cặp cảm biến có thể không truyền được theo cả hai hướng. Điều này nên được quan tâm trong giao thức định tuyến. Từ những đặc điểm của mạng cảm biến không dây và các thách thức trên một giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đạt được các yêu cầu cơ bản như đơn giản, tiết kiệm năng lượng, cân bằng năng lượng tiêu hao trên các nút để tăng tuổi thọ mạng, có khả năng thích nghi với các thay đổi của mạng, có khả năng mở rộng với số lượng nút cảm biến và phạm vi khác nhau Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây Đinh tuyến trong mạng cảm biến không dây có một số khác biệt so với định tuyến trong mạng cố định. Liên kết không dây là không tin cậy, nút cảm biến có thể bị lỗi, và giao thức định tuyến phải đ ối mặt với yêu cầu nghiêm ngặt về tiết k iệm năng lượng. Có nhiều giao thức định tuyến được phát triển cho mạng cảm biến không dây và có thể phân thành bốn loại: định tuyến dựa trên vị trí, định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa trên QoS. Định tuyến phẳng: trong định tuyến phẳng mỗi nút cảm biến thực hiện gửi dữ liệu của nó về trung tâm độc lập với tất cả các nút khác. Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến phẳng, khi các nút nguồn gửi dữ liệu của nó về trung tâm, những nút trung gian có thể thực hiện một số dạng tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn và gửi dữ liệu tổng hợp về trung tâm. Quá trình này có thể giúp tiết kiệm năng lượng do yêu cầu ít phiên truyền hơn để gửi dữ liệu từ các nguồn về trung tâm. Các giao thức SPIN ( Sensor Protocol for Information via Negotiation), EAR (Ene rgy Aware Routing), Direct Diffusion, Rumor Routing được xếp vào loại giao thức này. Với cấu trúc mạng đơn giản của định tuyến phẳng, họ giao thức này cho thấy một số ưu điểm như là giảm số bản tin điều khiển sử dụng. Ưu điểm là đơn giản, dễ dàng triển khai cho nhiều loại ứng dụng, số lượng bản tin ít. Nhược điểm là dữ liệu

29 21 sinh ra không được quản lý, mức độ dư thừa dữ liệu lớn dẫn đến tiêu hao năng lượng nhiều để truyền dữ liệu về trung tâm. Định tuyến dựa trên vị trí: là họ giao thức sử dụng vị trí chính xác của nút cảm biến để chọn tuyên đường. Vị trí địa lý của nút cảm biến có thể được lấy trực tiếp sử dụng thiết bị định vị GPS hoặc gián tiếp thông qua trao đổi dữ liệu về cường độ tín hiệu nhận được ở mỗi nút. Tuy nhiên do việc định vị đòi hỏi thiết bị phần cứng chuyên biệt và làm tăng chi phí tính toán cho nút cảm biến, cách tiếp cận này thực sự không dễ dàng thực hiện do giới hạn về tài ngu yên trong mạng cảm biến. GEAR ( Geographic an Energy Aware Routing) và GAF (Geographic Adaptive Fidelity) là hai giao thức định tuyến sử dụng vị trí điển hình. Ưu điểm là có thể tìm được tuyến đường tối ưu. Nhược điểm là khả năng ứng dụng thực tế với quy mô lớn là không cao do chi phí của thiết bị định vị cùng với vấn đề năng lượng tiêu hao cho thực hiện định vị. Định tuyến phân cấp: được đưa ra với mục tiêu tăng cường khả năng thích nghi và tiết kiệm năng lượng cho mạng thông qua việc phân nhóm các nút cảm biến. Trong nhóm giao thức này, các nút sẽ được phân thành các nhóm và một nút với nhiều tài nguyên trong mỗi nhóm sẽ giữ vai trò làm nhóm trưởng. Mỗi nhóm trưởng chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận được từ các thành viên trong nhóm, giao tiếp với các nhóm trưởng khác và với điểm thu thập dữ liệu. Ngược lại, tất cả các nút thành viên trong nhóm cùng thực hiện cảm biến môi trường và chuyển dữ liệu thu thập được tới nhóm trưởng. Các tiếp cận này tuy tăng khả năng thích nghi cho mạng tuy nhiên hoạt động phân nhóm và thay thế nhóm trưởng (với mục tiêu phân phối đều năng lượng) làm tăng số lượng bản tin điều khiển phải sử d ụng. Có 2 hướng tiếp cận khác nhau trong nhóm các giao thức phân cấp để thu thập dữ liệu là: liên tục theo thời gian và theo sự kiện. Có nhiều giao thức phân cấp sử dụng cách thu thập liên tục theo thời gian đã được giới thiệu như: LEACH, TEEN, HEED, PEGASIS. Trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo thời gian, dữ liệu cảm biến được định kỳ gửi về trạm gốc, trái lại trong phương pháp thu thập dữ liệu liên tục theo sự kiện, dữ liệu cảm biến được gửi về BS mỗi khi có sự kiện được phát

30 22 hiện. Các giao thức sử dụng phương pháp hướng sự kiện như OEDSR, APPEES. Phương pháp theo sự kiện tỏ ra hiệu quả hơn trong việc tiết kiệm năng lượng, cân bằng năng lượng và tuổi thọ mạng do chỉ hoạt động khi có sự kiện sảy ra, nếu không có sự kiện thì các nút ở trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng. Ưu điểm là tiết kiệm năng lượng, khả năng mở rộng cao, giảm dư thừa dữ liệu. Nhược điểm: khá phức tạp, lượng bản tin điều khiển nhiều. Định tuyến theo QoS: bên cạnh yêu cầu tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao, một yếu tố quan trọng khác cần phải quan tâm là yêu cầu về chất lượng dịch vụ như độ trễ, độ tin cậy, tính chịu lỗi trong định tuyến trong mạng cảm biến không dây WSN. SAR (Sequential Assignment Routing), SPEED, Energy Aware QoS Routing Protocol là những giao thức trong nhóm này, chúng được thiết kế để đạt được sự cân bằng giữa năng lượng tiêu hao và các yêu cầu về QoS. Ưu điểm là quan tâm đáp ứng yêu cầu của ứng dụng. Nhược điểm là cần cân bằng giữa yếu tố năng lượng và chất lượng dịch vụ. Từ các kết quả nghiên cứu thử nghiệm cho thấy định tuyến phân cấp theo sự kiện có khả năng ứng dụng thực tế cao, phù hợp với nhiều loại ứng dụng cảm biến, đáp ứng tốt các yêu cầu của giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây cũng tập trung nhiều vào định tuyến phân cấp hướng sự kiện. Tuy nhiên các giao thức phân cấp hướng sự kiện đã được giới thiệu chưa quan tâm đến yêu cầu về độ trễ của lan truyền dữ liệu và chưa có giao thức nào đánh giá đến mức độ xung đột của môi trường không dây trong mạng cảm biến không dây và ảnh hưởng của nó đến hiệu năng mạng. Mạng cảm biến không dây thường được triển khai với số lượng lớn, bộ thu phát của cảm biến hoạt động trên băng thông giới hạn và năng lượng truyền thông thường nhỏ, do đó nhiễu và độ tranh chấp môi trường là yếu tố ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của mạng và độ trễ lan truyền dữ liệu. Phương pháp truyền đa kênh đã được nghiên cứu là phương pháp hiệu quả để giảm nhiễu, tranh chấp môi trường giúp tăng hiệu suất và giảm trễ.

31 Giao thức EMRP Giao thức Energy-Awared Meshed Routing Protocol (EMRP) là kết quả nghiên cứu của tác giả Trần Vĩnh Thụy và TS.Ngô Quỳnh Thu (2012) được sử dụng định tuyến trong mạng cảm biến (tài liệu tham khảo [12] ). Vì giao thức EMRP là giao thức định tuyến đa đường, có khả năng dự trữ tuyến đường và nhận biết năng lượng nên tỏ ra vượt trội hơn hẳn so với các giao thức định tuyến khác về mặt hiệu quả sử dụng năng lượng, phân bố năng lượng, thời gian sống, tỉ lệ lỗi liên kết và khả năng thích nghi. Hoạt động của EMRP được chia thành các vòng, mỗi vòng lại bao gồm hai pha: pha thành lập nhóm và lựa chọn nhóm trưởng, sau đó là pha tìm tuyến đường và truyền dữ liệu đến trạm gốc Pha thiết lập Trong pha thiết lập mạng, mỗi nút sẽ quảng bá bản tin RELAY_REQUEST tới tất cả các nút hàng xóm để lấy về thông tin mức năng lượng cũng như vị trí của các nút lân cận từ đó chọn ra nút chuyển tiếp và nút dự trữ. Hàm đánh giá Relay_node sử dụng cho việc lựa chọn nút chuyển tiếp và nút dự trữ được xây dựng như sau: F RN MaxF 1 ( j) E Re s ( j) cos d ( j, BS ) RN SecondMaxF j Y ( j) Re laynode RN j Y ( j) BackupNode j cos α j 2 d( CH, j) + d( CH, BS) - d( j, BS) = 2d( j, BS) d( CH, BS) 2 2 Trong đó: F RN (j): Hàm đánh giá để lựa chọn nút chuyển tiếp và nút dự trữ E Res (j): Năng lượng còn lại của nút ứng cử j d(j,bs),d(ch,j) và d(ch,bs): Khoảng cách từ j tới trạm gốc, từ CH tới j và từ CH tới BS j là giá trị góc giới hạn tạo bởi nút j, nhóm trưởng và trạm gốc

32 24 Y: tập các ứng cử viên để lựa chọn nút chuyển tiếp trong phạm vi tín hiệu của nhóm trưởng Sau pha thiết lập, ta có được mô hình mạng cảm biến với các liên kết dạng lưới. Mỗi nút sẽ có liên kết tới nút chuyển tiếp và nút dự trữ ở mức dưới nó. Ngoại trừ trường hợp các nút có khoảng cách tới gốc nhỏ hơn giới hạn truyền tải của nó, các nút này không tìm kiếm hai nút chuyển tiếp và nút dự trữ mà truyền gói tin dữ liệu trực tiếp tới trạm gốc. Hình Mô hình mạng EMRP với liên kết dạng lưới sau pha thiết lập

33 Pha thành lập nhóm và chọn nhóm trưởng Khi một sự kiện sảy ra trong mạng, mỗi nút cảm biến trong vùng sự kiện sẽ tiến hành đo đạc thông số cảm biến. Nếu thông số cảm biến vượt ngưỡng, bộ phận thu phát tín hiệu của nút cảm biến sẽ được kích hoạt và quảng bá bản tin EVENT_NOTIFY đến các nút hàng xóm để xác định tập hợp các nút ở trong vùng sự kiện từ đó thành lập nhóm và bầu chọn nhóm trưởng. Ban đầu, tất cả các nút mạng ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Khi một sự kiện được phát hiện trong mạng, các nút gần vị trí xảy ra sự kiện được kích hoạt và sẽ tiến hành đo đạc thuộc tính đã được chỉ định cảm biến. Nếu giá trị nhân tố cảm biến cao hơn mức ngưỡng định trước, c ác nút đó sẽ thực thi thuật toán để phân nhóm và chọn nhóm trưởng. Các nút quảng bá gói tin STATUS_INFO tới tất cả các nút hàng xóm. Bản tin này bao gồm ID của nút, mức năng lượng còn lại và thông tin mô tả dữ liệu cảm biến sự kiện. Sau đó các nút sẽ đặt bộ đếm thời gian tới t1. Trong khoảng thời gian t1, mỗi nút sẽ nhận bản tin STATUS_INFO từ tất cả các nút trong nhóm và thực thi hàm chọn nhóm trưởng - Cluster Head (CH) như sau: F ( j) j I j RN E ( ) ( ) Re s j X MaxF ( j) ClusterHead RN Trong đó X là tập các nút được kích hoạt bởi sự kiện. E Res (j): Mức năng lượng còn lại của nút j I(j): Mô tả dữ liệu cảm biến của nút j Khi khoảng thời gian t1 kết thúc, nút có giá trị F RN (j) lớn nhất sẽ tự bầu nó làm nhóm trưởng. Nhóm trưởng sẽ lưu trữ ID của tất cả các nút trong tập các nút được kích hoạt X, và lập 1 lịch để sắp xếp cho từng nút lần lượt gửi dữ liệu tới nhóm trưởng. Các nút còn lại tự đặt mình làm nút thành viên và chờ đợi để nhận lịch từ nhóm trưởng. Với lịch đã được sắp xếp, các nút có thể tắt các thành phần thu nhận tín hiệu ngoại trừ trong khoảng thời gian truyền tải dữ liệu. Thuật toán ở đây đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm nhóm trưởng. Thêm nữa Giao thức

34 26 EMRP chỉ sử dụng một loại bản tin để tạo nhóm và chọn nhóm trưởng. Do đó có thể làm giảm số lượng các bản tin điều khiển, đồng thời giản lượng dữ liệu truyền tải từ các nút tới nhóm trưởng (sẽ được mô tả ở pha sau) bởi nhóm trưởng là nút ở gần sự kiện và đã thu thập được sẵn nhiều dữ liệu hơn các nút ở xa sự kiện Pha truyền tải dữ liệu Ở pha truyền tải dữ liệu, EMRP sử dụng phương thức truyền tải đa tuyến đường sử dụng phương thức chuyển đổi và thay thế nút chuyển tiếp thêm vào đó là một nút sẽ lưu trữ thông tin về nút chuyển tiếp và nút dự trữ của nó cho nhiều vòng truyền tải. Quá trình quảng bá bản tin RELAY_REQUEST sẽ hầu hết được loại bỏ và chỉ được sử dụng khi cần thiết phải tìm lại hai nút chuyển tiếp và dự trữ mới. Khi nhóm trưởng đã xử lý dữ liệu cảm biến nhận được từ các thành viên trong nhóm và đóng gói vào bản tin DATA_TO_BS, nó sẽ gửi ngay gói tin dữ liệu xuống nút chuyển tiếp mức dưới mà không cần phải quảng bá để tìm tuyến đường. Việc quảng bá RELAY_REQUEST chỉ được kích hoạt khi mức năng lượng của hai nút chuyển tiếp và dự trữ xuống dưới mức ngưỡng thấp. Các nút chuyển tiếp mức bên dưới cũng thực hiện cơ chế tương tự cho tới khi gói dữ liệu đến được trạm gốc. Sau đây là mô tả chi tiết về pha truyền dữ liệu của giao thức EMRP bao gồm tìm tuyến đường và truyền tải dữ liệu. Bước 1: Sau khi nhận dữ liệu cảm biến từ các thành viên trong nhóm, nhóm trưởng sẽ tiến hành tổng hợp, loại bỏ dữ liệu dư thừa và nén dữ liệu cảm biến thành một gói tin DATA_TO_BS. Bước 2: Do đã tìm kiếm được nút chuyển tiếp và nút dự trữ trong pha thiết lập, nhóm trưởng sẽ bắt đầu quá trì nh gửi bản tin dữ liệu DATA_TO_BS đầu tiên tới nút chuyển tiếp RN1.

35 27 Hình Mô hình mạng hai mức liên kết trong EMRP Bước 3: Khi nút chuyển tiếp RN1 nhận được gói tin DATA_TO_BS lần đầu tiên, RN1 tính toán mức năng lượng nó sử dụng cho một lần nhận bản tin DATA_TO_BS từ nhóm trưởng và chuyển tiếp bản tin đó xuống nút chuyển tiếp của chính nó RN2 bằng cách sử dụng công thức tính toán năng lượng truyền tải theo mô hình tín hiệu. RN1 sẽ lưu thông tin về mức năng lượng sử dụng này vào bản tin ENREGY_RELAY và gửi lại cho nhóm trưởng. Nhóm trưởng bóc tách gói tin và lưu thông tin về mức năng lượng sử dụng mỗi lần truyền của RN1 vào biến số E RE biến số năng lượng sử dụng để nhận một bản tin. Bước 4: Sau khi đã có được 3 biến số E RN1, E BN1 và E RE nhóm trưởng có thể tiếp tục gửi các bản tin dữ liệu DATA_TO_BS tiếp theo xuống RN1 và trong quá trình đó có thể theo dõi sự thay đổi mức năng lượng còn lại của RN1 sau mỗi lần nó gửi tiếp dữ liệu DATA_TO_BS xuống RN2 bằng cách thiếp lập lại biến số E RN1 như sau: E total RN 1 E E RE Bước 5: Song song với bước thứ tư, trước mỗi lần gửi một bản tin DATA_TO_BS xuống, nhóm trưởng sẽ tiến hành kiểm tra hai điều kiện: - Nếu cả E RN1 và E BN1 đều giảm xuống dưới mức ngưỡng thấp đã định trước (Ví dụ như 1% mức năng lượng ban đ ầu), nhóm trưởng sẽ kích hoạt

36 28 lại quá trình quảng bá RELAY_REQUEST để tìm nút chuyển tiếp và nút dự trữ mới. - Nếu hiệu E RN1 - E BN1 nhỏ hơn ngưỡng chuyển định trước (Ví dụ như 0.5% mức năng lượng ban đầu, tương ứng với từ năm đến sáu lần truyền dữ liệu), nút chuyển tiếp sẽ chuyển thành nút dự trữ và ngược lại nút dự trữ sẽ lên làm nút chuyển tiếp. Trong lần chuyển đổi đầu tiên, nút chuyển tiếp mới sẽ thực hiện tìm kiếm hai nút chuyển tiếp và dự trữ cho chính nó bằng cách quảng bá bản tin RELAY_REQUEST. Sau đó, nút chuyển tiếp mới tính toán mức năng lượng tiêu thụ trong một lần truyền gói tin dữ liệu và gửi giá trị này tới nhóm trưởng thông qua bản tin ENREGY_RELAY để nhóm trưởng có thể cập nhật lại biến số E RE. Bước 6: Các nút tiếp theo trên tuyến đường truyền cũng thực hiện theo cơ chế tương tự như nhóm trưởng để tìm các nút chuyển tiếp và nút dự trữ mức dưới. Quá trình này lặp lại cho tới khi gói tin dữ liệu cảm biến được truyền tới trạm gốc. Lưu đồ trong hình thể hiện pha hoạt động của giao thức EMRP trong pha truyền tải dữ liệu.

37 29 Hình Lưu đồ hoạt động pha truyền tải dữ liệu của EMRP

38 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ảo hóa Các giao thức định tuyến phải được thiết kế phù hợp với các yêu cầu của ảo hóa được trình bày ở phần Các yêu cầu ảo hóa ảnh hưởng đến sự lựa chọn thiết kế và hướng các giao thức định tuyến phải tuân theo. Đó là việc ảo hóa các nguồn tài nguyên của các nút cảm biến nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hơn các nguồn tài nguyên có sẵn này. Để đạt được mục tiêu như vậy, mỗ i nút sẽ có một tập các thuộc tính mô tả các nguồn tài nguyên của nó (ví dụ như tài nguyên phần cứng, kết nối, năng lượng, và tính năng liên quan đến sự bảo mật, độ tin cậy). Để hỗ trợ ảo hóa nguồn tài nguyên nút, đầu tiên phải định nghĩa các bản tin cần thiết và cách thức để truyền đạt các thông tin liên quan đến cá tài nguyên nút cảm biến. Thứ hai, các thuật toán sẽ sử dụng những thông tin này để biến nó thành lợi ích của việc ảo hóa mạng cảm biến không dây cần phải được thiết kế trong các giao thức định tuyến của mạng. Mục tiêu của sự hình thành VSN là cho phép một số lượng lớn các nút không đồng nhất tồn tại trong một khu vực địa lý để giao tiếp trực tiếp với nhau. Mỗi mạng ảo con trong mạng tham gia vào một dịch vụ khác nhau sẽ bao gồm các nút đồng nhất với nhau về mặt tài nguyền và sẽ có một cơ chế định tuyến nhất định. Do các yêu cầu của các dịch vụ rất đa dạng, phức tạp và khác nhau đối với mỗi dịch vụ, kéo theo đó cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo cũng khác nhau. Vì thế định tuyến có vai trò vô cùng quan trọng và then chốt trong trong việc ảo hóa mạng cảm biến không dây. Nó giúp đáp ứng các yêu cầu đa dạng, phức tạp của mỗi loại dịch vụ, và cũng từ sự thỏa mãn được những yêu cầu đó, những dịch vụ này mới có thể cùng nhau tồn tại trên một nền vật lý, tạo nên sự gắn kết giữa các nút mạng không đồng nhất vơi nhau. Đó cũng chính là mục đích của việc ảo hóa. Để đặc trưng cho tính chất và mức độ ưu tiên của mỗi dịch vụ, khái niệm thông số định tuyến (routing metric) được đưa vào. Dựa vào thông số định tuyế n, người ta có thể xây dựng lên các hàm định tuyến, từ đó xác định được cơ chế định tuyến cho mỗi mạng ảo. Trong giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây thông thường trước đây, các thông số định tuyến chủ yếu bao gồm khoảng cách

39 31 hoặc độ trễ. Tuy nhiên khi khái niệm ảo hóa mạng cảm biến được đưa vào nghiên cứu và tìm hiểu thì việc sử dụng hai thông số định tuyến trên không thể đáp ứng được hết những yêu cầu của các loại dịch vụ. Việc ảo hóa cũng không thể chỉ dừng lại ở những yếu tố trước đây đã biế t đến mà còn phải tiếp tục mở rộng và đẩy mạnh ảo hóa các tài nguyên khác của nút, để việc ảo hóa thực sự mang lại nhiều lợi ích hơn nữa. Hiện nay, các thông số định tuyến đã được tăng cường bao gồm nhiều hơn các tài nguyên ảo của nút, mỗi dịch vụ có thể được hỗ trợ nhiều thông số định tuyến. Các nghiên cứu về ảo hóa trong mạng cảm biến không dây cho tới thời điểm này còn rất hạn chế và vô cùng ít ỏi. VITRO là một trong số các nghiên cứu khá mới mẻ và ít ỏi đó. VITRO (Virtualized distributed platform of Object) là một dự án nằm trong chương trình FP7-ICT do tổ chức ELLINIKI AEROPORIKI VIOMICHANIA ANONYMI ETAIREIA của châu âu thực hiện. Dự án tập trung nghiên cứu vào phát triển kiến trúc, các thuật toán và phương pháp kỹ thuật, cho phép thực hiện nền tảng VSN có khả năng mở rộng, linh hoạt, thích nghi và tiết kiệm năng lượng. Trong VITRO, các thông số định tuyến có thể được phân loại theo các đặc điểm sau: - Liên kết và nút: Các thông số nút chỉ ra các thuộc tính tồn tại của mạng như năng lượng và các điều kiện quá tải mạng, trong khi các thông số liên kết chỉ ra cá thuộc tính truyền thông như thông lượng hoặc độ trễ. - Động và tĩnh: Tần số của các thông số định kỳ được cập nhật là rất quan trọng như các thông số thường xuyên được cập nhật một mặt cung cấp một mức độ chính xác và cập nhật thông tin nhưng mặt khác đặt ra những thách thức mới. Một trong những thách thức chủ yếu là liên quan đến các thông số động là để kiểm soát một cách cẩn thận tốc độ số liệu mới được quảng bá và bao gồm cả những quyết định trong định tuyến. Sử dụng không đúng cách và rất thường xuyên cập nhật có thể dẫn tới những bất ổn trong định tuyến.

40 32 - Chất lượng và số lượng : Một số thông số được định lượng tự nhiên và có thể bao gồm tập hợp các hàm (phép cộng, phép nhân) cung cấp khả năng đưa ra quyết định định tuyến dựa trên các giá trị tốt nhất của các thông số được tính toán.chất lượng là chủ yếu liên quan đến những ràng buộc (ví dụ để tránh các nút có năng lượng dưới một ngưỡng xác định trước). - Các thông số định tuyến được tổng hợp và ghi lại : sự phân biệt này chỉ có giá trị cho các thông số định lượng và không ràng buộc. Chức năng tổng hợp (thường là bổ sung) có thể được sử dụng để cung cấp các thông số định tuyến và trong loại này mỗi nút tính toán dọc theo đường định tuyến và cập nhật các thông số. Mặt khác trong một số trường hợp mỗi thông số liên kết riêng lẻ được ghi lại và thông tin này được lan truyền với các cơ chế định tuyến. - Cục bộ và toàn bộ: Một số thông số là cục bộ khi nó không được truyền dọc theo tuyến đường. Trong trường hợp này, một nút chỉ ra chi phí cục bộ của mình nhưng chi phí này không được lan truyền đi xa hơn nữa. Danh sách hiện tại trong VITRO của các thông số định tuyến bao gồm các đối tượng sau đây: - Trạng thái nút và thuộc tính đối tượng : trạng thái nút và thuộc tính đối tượng được sử dụng để báo cáo thông tin trạng thái nút khác nhau và các thuộc tính nút. - Năng lượng nút: Năng lượng là một thước đo quan trọng trong LLNs, như trong nhiều tình huống đó là mong muốn tránh việc định tuyến thông qua một nút với năng lượng còn lại thấp. Các thông số liên quan đến năng lượng và các thuộc tính cho đến nay bao gồm: các chế độ năng lượng của nút, ước tính thời gian sống còn lại và một tập hợp chi tiết các số liệu và các thuộc tính liên quan đến năng lượng. - Số chặng: số chặng được sử dụng để cho biết số lượng các nút đi qua dọc theo đường định tuyến. Số chặng có thể được sử dụng như một ràng buộc, cho biết số chặng tối đa mà một đường định tuyến có thể đi qua hoặc như

41 33 một thông số trong đó khi mỗi nút đã được đến thăm thì trường số chặng tăng lên. - Thông lượng: Các đối tượng thông lượng được sử dụng để cho biết thông lượng của liên kết, một thông số mà trong nhiều LLNs khác nhau biến đổi rất nhiều kết quả của việc trao đổi công suất tiêu thụ của tốc độ bit. Khi được sử dụng như một thông số nó có thể được sử dụng như một thông số bổ sung hoặc thông lượng tối đa hay tối thiểu. - Độ trễ: đối tượng độ trễ được sử dụng để cho biết đường đi. Khi được sử dụng như một thông số đối tượng trễ thể hiện tổng độ trễ (thông số bổ sung) hay độ trễ tối đa hoặc tối thiểu dọc theo đường định tuyến. Khi được sử dụng như một ràng buộc, độ trễ được sử dụng để loại bỏ các liên kết cung cấp độ trễ cao hơn giá trị được định trước. - Độ tin cậy của liên kết: độ tin cậy của liên kết là một thông số quan trọng bởi vì trong LLNs trạng thái liên kết có thể khác nhau đáng kể theo thời gian và tỉ lệ lỗi bit có thể cao. Độ tin cậy của liên kết được xác định bởi hai thông số: Link Quanlity Level (LQL) v à Expected Transmission Count (ETX). Đối tượng LQL được sử dụng để định lượng độ tin cậy liên kết sử dụng một giá trị riêng biệt. Hầu hết các thông số phổ biến cho độ tin cậy là ETX có thể được sử dụng như là một ràng buộc được yêu cầu không vượt quá một số giá trị cụ thể hoặc là một thông số bổ sung tổng hợp với các giá trị được cập nhật dọc theo đường định tuyến để phản ánh chất lượng toàn bộ tuyến đường. - Màu sắc liên kết: đối tượng màu sắc liên kết là một ràng buộc liên kết quản lý có thể là tĩnh hoặc động để tránh hoặc thu hút các liên kết cụ thể cho các loại lưu lượn g cụ thể. Trên một đường định tuyến với thông số màu sắc liên kết đã được ghi nhận, một nút có thể chỉ ra các đường định tuyến cung cấp các liên kết đã được mã hóa.

42 Cải tiến EMRP dùng cho mạng cảm biến không dây ảo hóa Dựa theo đặc điểm và yêu cầu của từng dịch vụ mà lựa chọn thông số định tuyến cho phù hợp. Từ đó thành lập hàm mục tiêu cho các thông số định tuyến này. Mỗi dịch vụ sử dụng một hàm mục tiêu để định tuyến. Mỗi VSN có thể nằm trong một hoặc nhiều dịch vụ khác nhau. Mỗi nút cảm biến sẽ có một tập các hàm mục tiêu mà nó hỗ trợ tương ứng với các dịch vụ mà nó có thể tham gia. Vì ở đây giao thức EMRP cải tiến cho ảo hóa được dùng cho các ứng dụng bao phủ các phần không gian địa lý, trong đó các mạng VSN đã được cố định trước vị trí của chúng và dịch vụ mà chúng sẽ cung cấp. Các nút cảm biến nằm trong vùng sự kiện nào sẽ có thể tham gia cảm biến loại sự kiện đó, do đó chúng đã biết trước mình thuộc VSN nào. Trong giới hạn luận văn này, EMRP có thể hỗ trợ 2 thông số định tuyến là số chặng (hop count) và năng lượng của nút (node energy). Các hàm tính toán của EMRP: Nếu các nút thuộc dịch vụ nào chúng sẽ có hàm mục tiêu tương ứng để tính toán cho việc định tuyến. Các hàm tính toán ở đây bao gồm hàm tìm nhóm trưởng (cluster head) và hàm tìm nút chuyển tiếp (relay node and backup node). Cụ thể như sau: Hàm tìm nhóm trưởng: - Thông số định tuyến là số chặng thì nhóm trưởng là nút có số chặng nhỏ nhất đến trạm gốc. - Thông số định tuyến là năng lượng của nút thì nhóm trưởng là nút có năng lượng lớn nhất. Hàm tìm nút chuyển tiếp và nút dự trữ: - Thông số định tuyến là số chặng thì nút chuyển tiếp (relay node) là nút có số chặng đến trạm gốc nhỏ nhất, nút dự trữ (backup node) là nút có số chặng nhỏ thứ hai trong số các nút có thể chọn tiếp theo.

43 35 - Thông số định tuyến là năng lượng của nút thì nút chuyển tiếp là nút có năng lượng lớn nhất, nút dự trữ là nút có năng lượng lớn thứ hai trong số các nút có thể chọn tiếp theo. Nếu dịch vụ nào mà yêu cầu hỗ trợ cả hai thông số định tuyến này thì: - Hàm tìm nhóm trưởng thỏa mãn nhóm trưởng là nút có số chặng nhỏ nhất đến trạm gốc và năng lượng lớn nhất. - Hàm tìm nút chuyển tiếp, nút dự trữ thỏa mãn nút chuyển tiếp là nút có số chặng nhỏ nhất đến trạm gốc và năng lượng lớn nhất trong số các nút có thể chọn tiếp theo, nút dự trữ là nút có số chặng đến trạm gốc nhỏ thứ hai và năng lượng lớn thứ hai trong số các nút có thể chọn tiếp theo. So với giao thức EMRP đã được trình bày trong mục 2.2 ở trên các pha hoạt động của EMRP cải tiến cho ảo hóa còn thêm một số bước như sau: Pha khởi tạo Mục đích của pha này là các nút cảm biến trong mạng thiết lập các giá trị ban đầu của mình. Trạm gốc có khả năng phủ sóng toàn mạng, sẽ quảng bá bản tin BROADCAST_INFO. Các nút trong mạng nhận được bản tin BROADCAST_INFO này, dựa vào độ suy hao năng lượng để xác định khoảng cách từ nó đến trạm gốc, xác định VSN mà nó tham gia, dịch vụ và các thông số định tuyến mà nó được hỗ trợ. Dựa vào các thông số mà nút biết được mình cần phải thực hiện hàm nào hay kết hợp các hàm nào để tính hàm tìm nhóm tr ưởng và nút chuyển tiếp. Trong phạm vi luận văn này, pha thiết lập sẽ không tìm ngay các nút chuyển tiếp và nút dự trữ của tất cả các nút trong mạng. Việc tìm nút chuyển tiếp và nút dự trữ sẽ được thực hiện trong quá trình định tuyến khi một nút yêu cầu tì m nút chuyển tiếp và nút dự trữ để tìm nút tiếp theo cho quá trình định tuyến để tránh tình trạng các nút đã tìm trước nút chuyển tiếp và nút dự trữ của nó nhưng sau đó lại không được dùng đến. Một lý do khác là khi mạng hoạt động được một thời gian mới c ần dùng đến chúng nhưng khi các yếu tố định tuyến, ví dụ như năng lượng của các nút dự trữ và nút chuyển tiếp đã thay đổi, không còn phù hợp cho vị trí nút chuyển tiếp

44 36 và nút dự trữ làm cho việc định tuyến thiếu chính xác hoặc phải tốn năng lượng cho việc chọn lại nút chuyển tiếp và nút dự trữ mới Pha thành lập nhóm Thuật toán của EMRP đảm bảo nút với mức năng lượng còn lại lớn nhất và gần nhất với sự kiện xảy ra được lựa chọn làm nhóm trưởng. Trong khi đó, việc xây dựng hàm lựa chọn nhóm trưởng tron g EMRP dùng cho ảo hóa còn tùy thuộc vào những thông số định tuyến mà mỗi mạng ảo hỗ trợ. Điều này được cụ thể hóa như sau: Khi có sự kiện sảy ra, các nút trong vùng cảm biến cảm nhận được sự kiện, tùy theo sự kiện xảy ra ở vùng chứa VSN nào mà xác định đư ợc dịch vụ mà nút có thể hỗ trợ, qua đó các nút sẽ dùng hàm mục tiêu để chọn nhóm trưởng cho phù hợp với thông số định tuyến và loại sự kiện mà nó đang tham gia định tuyến. Ví dụ: giả sử sự kiện xảy ra ở vùng chứa VSN1 (ID=1), nó xác định được dịch vụ chứa nó (giả sử là dịch vụ có ID=1) qua đó biết được thông số nó cần đáp ứng là số chặng. Vì vậy, nhóm trưởng được chọn sẽ là nút đáp ứng được hàm mục tiêu F1 CH của thông số số chặng (chọn nhóm trưởng là nút gần trạm gốc nhất) Pha truyền dữ liệu Trong giao thức EMRP, dữ liệu được truyền chỉ từ một dịch vụ do chưa có ảo hóa. Nhưng khi có ảo hóa, EMRP cải tiến cần phải đảm bảo việc truyền dữ liệu cho nhiều dịch vụ cùng một lúc. Do đó, cơ chế truyền dữ liệu cần có thêm những điểm khác biệt so với giao thức EMRP cũ. Cụ thể là các nút chuyển tiếp dữ liệu cần phải biết được chúng đang truyền dữ liệu cho loại sự kiện nào để lấy được hàm chọn hop tiếp theo cho phù hợp. Vì thế, cơ chế truyền dữ liệu được tiến hành như sau: Sau khi nhận dữ liệu từ các nút cảm biến khác truyền tới, nhóm trưởng tiến hành tìm các hop tiếp theo để truyền gói tin DATA_TO_BS về trạm gốc. Lúc đó nhóm trưởng đã biết dịch vụ chứa nó qua đó biết được các thông số định tuyến mà nó hỗ trợ trong pha thành lập nhóm trước đó. Dựa vào đó sẽ lấy đượ c hàm mục tiêu

45 37 chọn nút chuyển tiếp và nút dự trữ phù hợp với các thông số định tuyến mà dịch vụ yêu cầu. Khi tìm được nút chuyển tiếp phù hợp, nhóm trưởng sẽ gửi bản tin DATA_TO_BS chứa các dữ liệu cảm biến xuống nút chuyển tiếp. Trong bản tin DATA_TO_BS mà nhóm trưởng gửi xuống, ngoài dữ liệu mà các nút cảm biến được còn có thông tin về các thông số định tuyến và dịch vụ của sự kiện đang được truyền. Khi đó hop tiếp theo trên đường định tuyến đã có thể nhận được thông tin về loại sự kiện mà nó đang tham gia định tuyến, cũng như biết được các thông số định tuyến và từ đó làm cơ sở cho việc sử dụng hàm mục tiêu để chọn nút chuyển tiếp. Quá trình định tuyến và lan truyền thông tin định tuyến cứ tiếp tục như thế cho đến khi dữ liệu tới được trạm gốc. Tiếp ví dụ ở trên, sự kiện sảy ra ở VSN1 như trên và nó đã tìm được nhóm trưởng phù hợp. Nhóm trưởng này đã có thông tin về dịch vụ mà nó tham gia là dịch vụ có ID=1 và thông số định tuyến cần đáp ứng là số chặng. Từ đó, hàm F1 là hàm mục tiêu của thông số định tuyến số chặng sẽ được sử dụng để tìm nút chuyển tiếp và nút dự trữ. Tiếp theo đó, nhóm trưởng gửi bản tin DATA_TO_BS chứa dữ liệu cảm biến, ID của dịch vụ và thông số định tuyến tới nút chuyển tiếp vừa tìm được. Từ nút này, quá trình định tuyến sẽ tiếp tục b ằng việc sử dụng hàm F1 là hàm mục tiêu của thông số định tuyến số chặng cho đến khi bản tin được chuyển tới trạm gốc.

46 38 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Công cụ mô phỏng OMNeT++ OMNeT++ là viết tắt của cụm từ Objective Modular Network Testbed in C++. OMNeT++ là một ứng dụng cung cấp cho người sử dụng môi trường để tiến hành mô phỏng hoạt động của mạng. Mục đích chính của ứng dụng là mô phỏng hoạt động mạng thông tin, tuy nhiên do tính phổ cập và linh hoạt của nó, OMNeT++ còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như mô phỏng các hệ thống thông tin phức tạp, các mạng kiểu hàng đợi (queueing networks) hay các kiến trúc phần cứng... OMNeT++ cung cấp sẵn các thành phần tương ứng với các mô hình thực tế. Các thành phần này (còn được gọi là các module) được lập trình theo ngôn ngữ C++, sau đó được tập hợp lại thành những thành phần hay những mô hình lớn hơn bằng một ngôn ngữ bậc cao (NED). OMNeT++ hỗ trợ giao diện đồ hoạ, tương ứng với các mô hình cấu trúc của nó đồng thời phần nhân mô phỏng (simulation kernel) và các module của OMNeT++ cũng rất dễ dàng nhúng vào trong các ứng dụng khác. Các thành phần chính của OMNeT++: Thư viện phần nhân mô phỏng (simulation kernel) Trình biên dịch cho ngôn ngữ mô tả hình trạng (topology description language) - NED (nedc) Trình biên tập đồ hoạ (graphical network editor) cho các file NED (GNED) Giao diện đồ hoạ thực hiện mô phỏng, các liên kết bên trong các file thực hiện mô phỏng (Tkenv) Giao diện dòng lệnh thực hiện mô phỏng (Cmdenv) Công cụ (giao diện đồ hoạ) vẽ đồ thị kết quả vector ở đầu ra (Plove) Công cụ (giao diện đồ hoạ) mô tả kết quả vô hướng ở đầu ra (Scalars)

47 39 Công cụ tài liệu hoá các mô hình Các tiện ích khác Các tài liệu hướng dẫn, các ví dụ mô phỏng Mô hình mô phỏng trong OMNeT Cấu trúc phân cấp module Một mô hình trong OMNeT++ bao gồm các module lồng nhau có cấu trúc phân cấp. Độ sâu của của các module lồng nhau là không giới hạn, điều này cho phép người sử dụng có thể biểu diễn các cấu trúc logic của các hệ thống trong thực tế bằng các cấu trúc mô hình. Các module trao đổi thông tin với nhau thông qua việc gửi các message. Các message này có thể có cấu trúc phức tạp tuỳ ý. Các module có thể gửi các message này theo hai cách, một là gửi trực tiếp tới địa chỉ nhận, hai là gửi đi theo một đường dẫn được định sẵn, thông qua các cổng và các kết nối. Các module có thể có các tham số của riêng nó. Các tham số này có thể được sử dụng để chỉnh sửa các thuộc tính của module và để biểu diễn cho topology của mô hình. Các module ở mức thấp nhất trong cấu trúc phân cấp đóng gói các thuộc tính. Các module này được coi là các module đơn giản, và chúng được lập trình trong ngôn ngữ C++ bằng cách sử dụng các thư viện mô phỏng. Mỗi mô hình này thường biểu diễn cho một hệ thống mạng. Module mức cao nhất trong cấu trúc phân cấp được gọi là module hệ thống. Module này có thể chứa các module con, các module con cũng có thể chứa các module con của riêng nó. Độ sâu phân cấp đối với các module là không giới hạn, điều này cho phép người sử dụng có thể dễ dàng biểu diễn một cấu trúc logic của một hệ thống trong thực tế bằng cấu trúc phân cấp của OMNeT++. Cấu trúc của mô hình có thể được mô tả bằng ngôn ngữ NED của OMNeT++

48 40 Hình 3.1 Cấu trúc module NED Message, cổng, liên kết Các module trao đổi thông tin bằng việc gửi các message. Trong thực tế, message có dạng khung (frame) hoặc là các gói tin (packet) đư ợc truyền đi trong mạng. Các message có thể có cấu trúc phức tạp tuỳ ý. Các module đơn giản có thể gửi các message đi một cách trực tiếp đến vị trí nhận hoặc gửi đi theo một đường dẫn định sẵn thông qua các cổng và các liên kết. Thời gian mô phỏng địa phương (local simulation time) c ủa một module tăng lên khi module nhận được một message. Message có thể đến từ một module khác hoặc đến từ cùng một module (message c ủa chính bản thân module - selfmessage được dùng để thực hiện bộ định thời). Cổng (gate) là các giao tiếp vào ra của module. Message được gửi đi qua các cổng ra và được nhận vào thông qua các cổng vào. Mỗi kết nối (connection) hay còn gọi là liên kết (link) đư ợc tạo bên trong một mức đơn trong cấu trúc phân cấp của các module: bên trong một module kết hợp, một kết nối có thể được tạo ra giữa các cổng tương ứng của hai module con, hoặc giữa cổng của module con với cổng của module kết hợp Tham số Các tham số này có thể được đặt giá trị trong các file NED hoặc các file cấu hình ompnetpp.ini. Các tham số này có thể được dùng để thay đổi các thuộc tính của các module đơn giản hoặc dùng để biểu diễn cho topology của mô hình.

49 41 Các tham số có thể có kiểu là chuỗi, số học, giá trị logic hoặc cũng có thể chứa cây dữ liệu XML (XML data tree). Các biến kiểu số trong các biểu thức có thể nhận giá trị từ các tham số khác, gọi hàm, sử dụng các biến ngẫu nhiên từ các nguồn phân tán hoặc nhận giá trị trực tiếp được nhập vào bởi người sử dụng. Các tham số có kiểu số có thể được dùng để cấu hình topology rất dễ dàng. Nằm trong các module kết hợp, các tham số này có thể được dùng để chỉ ra số module con, số cổng giao tiếp và cách các kết nối nội bộ được tạo ra Xây dựng và chạy thử mô hình mô phỏng Một mô hình OMNeT++ bao gồm những phần sau: Ngôn ngữ mô tả topology - NED (file có phần mở rộng.ned): mô tả cấu trúc của module với các tham số, các cổng... Các file.ned có thể được viết bằng bất kỳ bộ soạn thảo hoặc sử dụng chương trình GNED có trong OMNeT++. Định nghĩa cấu trúc của các message (các file có phần mở rộng.msg): Người sử dụng có thể định nghĩa rất nhiều kiểu messsage và thêm các trường dữ liệu cho chúng. OMNeT++ sẽ dịch những định nghĩa này sang các l ớp C++ đầy đủ. Mã nguồn của các module đơn giản. Đây là các file C++ với phần mở rộng là.h hoặc.cc. Hệ thống mô phỏng cung cấp cho ta các thành phần sau: Phần nhân mô phỏng: Phần này chứa code để quản lý quá trình mô phỏng vàcác thư viện lớp mô phỏng. Nó được viết bằng C++, được biên dịch và được đặt cùng dạng với các file thư viện (các file có phần mở rộng là.a hoặc.lib). Giao diện người sử dụng: Giao diện này được sử dụng khi thực hiện quá trình mô phỏng, tạo sự dễ dàng cho quá trình sửa lỗi, biểu diễn

50 42 (demonstration) hoặc khi thực hiện mô phỏng theo từng khối (batch execution of simulations). Có một vài kiểu giao diện trong OMNeT++, tất cả đều được viết bằng C++ được biên dịch. 3.2 Kịch bản mô phỏng Trong thực tế, nhiều mạng ảo cùng tồn tại trên một nền vật lý để thực hiện các ứng dụng khác nhau, nhưng mỗi ứng dụng lại có những yêu cầu đa dạng khác nhau về chất lượng dịch vụ. Do đó, đáp ứng các mức chất lượng dịch vụ khác nhau cho các dịch vụ cũng là vấn đề cần được giải quyết, và có thể giải quyết bằng ảo hóa. Bằng việc sử dụng giao thức định tuyến EMRP cải tiến cho ảo hóa, thiết lập mạng và các thông số định tuyến thích hợp, kịch bản giám sát động vật theo tuyến cáp quang và giám sát chất lượng sóng di động được mô phỏng trong luận văn có thể được cung cấp các mức chất lượng dịch vụ khác nhau sẽ được trình bày sau đây. Mạng cảm biến dùng trong mô phỏng bao gồm hai mạng ảo VSN1 và VSN2, gồm các nút mạng không đồng nhất khác nhau về vị trí địa lý. Cụ thể, mạng VSN1 có địa lý hiểm trở, khó khăn cho việc bảo trì cũng như thay thế các nút cảm biến hư hỏng hoặc hết năng lượng. Trong khi đó VSN2 có địa lý tương đối dễ dàng cho việc này. Đây là một ví dụ thực tế cho trường hợp địa hình miền núi, vùng sâu, vùng xa như ở Cao Bằng việc các tuyến cáp quang thường xuyên bị sóc cắn, các động vật làm đứt nhưng do địa hình hiểm trở việc xác định vị trí đứt rất khó khăn. Ngoài ra việc giám sát đảm bảo chất lượng sóng di động hiện nay là rất quan trọng. Ở đây, VSN1 gồm các nút cảm biến rải dọc theo tuyến cáp quang có địa lý hiểm trở, khó khăn để giám sát động vật. VSN2 gồm các nút cảm biến được rải trong một khu vực sử dụng dịch vụ di động. Hai mạng VSN1 và VSN2 có thể có các vùng chồng nhau. Kịch bản này thuộc lớp ứng dụng thứ nhất, lớp ứng dụng bao ph ủ các không gian địa lý. Do tính chất của mạng, yêu cầu đặt ra trong trường hợp này là làm thế nào để VSN1 có thời gian sống lâu hơn cũng như chất lượng tốt hơn, để tiết kiệm chi phí cho việc bảo trì cũng như thay thế các nút trong VSN1 hư hỏng hoặc hết nă ng lượng. Thời gian sống lâu hơn thể hiện ở việc có thể cảm biến nhiều sự kiện hơn

51 43 trước khi mạng hết năng lượng, và chất lượng tốt hơn được tính bằng tỉ lệ gói tin bị lỗi khi truyền về trạm gốc trên tổng số gói tin được truyền. Việc sử dụng giao thức EMRP cho ảo hóa để cài đặt kịch bản này sẽ giúp giải quyết yêu cầu đề ra đối với mỗi mạng ảo. Cụ thể, thiết kế mạng, các thông số định tuyến và xây dựng hàm mục tiêu sẽ được trình bày sau đây. Thiết kế kịch bản mô phỏng: trong trường hợp mô phỏng này, mỗi mạng ảo gồm 100 nút cảm biến có vị trí được cố định trước và rải đều trên diện tích 500x500m 2. Sau đây là thiết kế mạng và các thông số cho 2 kịch bản được cài đặt để mô phỏng cho kịch bản ứng dụng ảo hóa trên Thiết kế kich bản mô phỏng 1 Mạng được mô phỏng gồm 2 ứng dụng. Ứng dụng thứ nhất có ID bằng 1 bao gồm tất cả các nút trong mạng. Ứng dụng thứ 2 có ID bằng 2 bao gồm các nút thuộc VSN2. Ứng dụng có ID bằng 1 hỗ trợ cả 2 thông số định tuyến là số chặng và năng lượng của nút, trong khi ứng dụng có ID bằng 2 chỉ hỗ trợ một thông số định tuyến là số chặng. Hàm chọn nhóm trưởng của 2 ứng dụng lần lượt là F1 CH và F2 CH, nút được chọn làm nhóm trưởng là nút có giá trị F1 CH và F2 CH lớn nhất. Hàm chọn nút chuyển tiếp của 2 ứng dụng là F1, F2, nút được chọn làm nút chuyển tiếp và nút dự trữ là nút có giá trị hàm F1 và F2 lớn nhất và lớn thứ 2. Các nút thuộc VSN1 chỉ được cài một ứng dụng có ID bằng 1 nên sẽ chọn đường theo hàm F1, còn các nút thuộc VSN2 cài đặt 2 ứng dụng nên sẽ chọn đường theo cả hàm F1 và F2, tức là VSN2 có khả năng truyền dữ liệu cho các sự kiện thuộc cả VSN1 và VSN Thiết kế kich bản mô phỏng 2 Mạng được mô phỏng gồm 2 ứng dụng. Mỗi nút cảm biến trong mạng đều được cài đặt cả 2 ứng dụng này. Ứng dụng có ID bằng 1 hỗ trợ cả 2 thông số định tuyến là số chặng và năng lượng của nút, trong khi ứng dụng có ID bằng 2 chỉ hỗ trợ một thông số định tuyến là số chặng.

52 44 Tương tự, hàm chọn nhóm trưởng của 2 ứng dụng lần lượt là F1 CH và F2 CH, nút được chọn làm nhóm trưởng là nút có giá trị F1 CH và F2 CH lớn nhất. Hàm chọn nút chuyển tiếp của 2 ứng dụng là F1, F2, nút được chọn làm nút chuyển tiếp và nút dự trữ là nút có giá trị hàm F1 và F2 lớn nhất và lớn thứ 2. Điểm khác biệt trong trường hợp này so với trường hợp thứ nhất là các nút thuộc VSN1 và VSN2 đều được cài đặt cả 2 ứng dụng nên sẽ chọn đường theo cả hàm F1 và F2, tức là VSN1 và VSN2 có khả năng truyền dữ liệu cho các sự kiện thuộc cả VSN1 và VSN Cài đặt mô phỏng Cài đặt OMNeT++: Để cài đặt OMNeT++, ta phải tải phần mềm trên trang chủ với phiên bản mới nhất (hiện nay là 4.3.1): Sau đó giải nén ra ổ gốc C (không nên giải vào Program File vì có chứa dấu cách). Chạy file: mingwenv.cmd. sau đó chạy các lệnh theo hướng dẫn trong file INSTALL.txt $. setenv $./configure $ make Sau khi cài đặt xong để start IDE thì chạy lệnh omnetpp như hình 3.2

53 45 Hình 3.2 Start OMNet ++ Sau khi chọn thư mục làm việc, ta có thể tạo project mô phỏng. Giao diện sau khi tạo project như hình 3.3 Hình 3.3 Giao diện IDE của OMNeT++

54 Xây dựng chương trình mô phỏng Chương trình mô phỏng được xây dựng bao gồm các thành phần cơ bản: File EMRP_VSN.ned mô tả các module trong mô hình mạng Các file mã nguồn Sensor.h, Sensor.cc, BaseStation.h, BaseStation.cc xử lý hoạt động các module simple được khai báo trong EMRP_VSN.ned File RoutingDef.h khai báo các hằng số được sử dụng trong chương trình bao gồm: giá trị kiểu số phân loại các gói tin, độ dài các loại bản tin File Message.msg khai báo các loại gói tin và các trường dữ liệu nằm trong mỗi bản tin. File omnetpp.ini khai báo các tham số đầu vào cho mô phỏng như kích thước mạng, số nút cảm biến, mức năng lượng ban đầu, giới hạn truyền tải, giới hạn cảm biến File Result.txt lưu các kết quả đầu ra của chương trình như tổng năng lượng toàn mạng, mức năng lượng của mỗi nút, thời gian sống của mạng, tổng số gói tin gửi đi, tổng số gói tin bị lỗi Sau đây là mô tả chi tiết về cấu trúc của hai thành phần quan trọng nhất trong cấu trúc một chương trình mô phỏng OMNeT File mô tả topo mạng EMRP_VSN.ned Ngôn ngữ NED được sử dụng để mô tả topology của một mô hình trong OMNeT++. NED sử dụng phương pháp mô tả module hoá. Điều này có nghĩa là một mạng có thể được mô tả như một tập hợp các mô tả thành phần (các kênh, các kiểu module đơn giản hay kết hợp). Các kênh, các kiểu module đơn giản và kết hợp được sử dụng để mô tả một mạng nào đó có thể được sử dụng lại khi mô tả một mạng khác. Nội dung file EMRP_VSN.ned khai báo lần lượt các module như sau: simple module Sensor: module đơn đại diện cho các nút cảm biến. simple module BaseStation: module đơn đại diện cho trạm gốc.

55 47 simple module Event: module đơn đại diện cho sự kiện. module mạng EMRP_VSN : bao gồm một module đơn BaseStaion, một tập hợp modunle đơn Event và một tập hợp các module đơn Sensor. Mỗi module đơn sẽ bao gồm các khai báo cơ bản như sau: khai báo các tham số: vị trí xpos, ypos của module BS là cố định còn của module Sensor là ngẫu nhiên trong khoảng nhỏ hơn kích thước mạng, tham số giới hạn truyền tải, giới hạn cảm biến, mức năng lượng, chuỗi hiển thị khai báo các cổng: mỗi module đơn sẽ có một tập hợp cổng đầu vào in[] và một tập hợp cổng đầu ra out[] Module mạng EMRP_VSN bao gồm các submodule đã nói ở trên, trong khai báo module mạng EMRP_VSN cũng tiến hành gán giá trị cho các tham số của từng submodule thường là lấy từ khai báo giá trị tham số trong file omnetpp.ini. Source của file EMRP_VSN.ned: network EMRP_VSN { parameters: int numberofsensor; int numberofevents; int trrange; int ssrange; int framenumber; int roundnumber; int xmax; int ymax; double energy; double submodules: s[numberofsensor]: Sensor { parameters: numberofsensor = numberofsensor; numberofevents = numberofevents; trrange = trrange; ssrange = ssrange; framenumber = framenumber; roundnumber = roundnumber; energy = energy; switchlevel = switchlevel; xpos = intuniform(0, xmax); ypos = intuniform(0, ymax);

56 48 e[numberofevents]: Event { parameters: numberofsensors = numberofsensor; numberofevents = numberofevents; ssrange = ssrange; xpos = intuniform(0, xmax); ypos = intuniform(0, } bs: BaseStation { parameters: numberofsensor = numberofsensor; numberofevents = numberofevents; trrange = trrange; ssrange = ssrange; framenumber = framenumber; roundnumber = roundnumber; xpos = xmax/2; ypos = } connections allowunconnected: } Các file mã nguồn Các file mã nguồn bao gồm Sensor.h, Sensor.cc, BaseStation.h, BaseStation.cc. Mã nguồn được viết trên ngôn ngữ C++ để xây dựng các lớp tương ứng mới các simple module khai báo trong file EMRP_VSN.ned. Nội dung các file này lâp trình cách thức thực hiện các sự kiện của mỗi module, hay nói khác đi là thực hiện các hoạt động (behaviour) c ủa mô hình. Các module Sensor và BaseStation là các lớp kế thừa từ lớp csimplemodule trong thư viện của OMNeT++. Khai báo class Sensor và BaseStation: class Sensor: public csimplemodule { } class BaseStation : public csimplemodule { }

57 49 Cấu trúc mã nguồn của mỗi module gồm có các hàm chính như sau: void initialize(): đây là hàm khởi tạo của lớp. Trong quá trình khởi tạo, OMNeT++ sẽ xây dựng mạng: nó tạo ra các module đơn và các module kết hợp (compound module). Sau đó k ết nối chúng theo các khai báo và định nghĩa trong file NED, đồng thời với đó là khai báo và gán giá trị cho các biến của module. void handlemessage(cmessage *msg): hàm này được gọi khi trong quá trình xử lý sự kiện. Như vậy hầu hết hoạt động của hệ thống được mô phỏng sẽ được lập trình trong các hàm này. Hàm handlemessage() sẽ được nhân mô phỏng (simulation kernel) gọi khi module nhận được một gói tin. 3.4 Thử nghiệm và đánh giá kết quả Mô phỏng thử nghiệm Giao thức EMRP cải tiến cho ảo hóa đề xuất ở phần trên đã được cài đặt và thử nghiệm với bộ công cụ mô phỏng OMNeT++. Đánh giá giao thức EMRP cải tiến cho ảo hóa tập trung vào việc so sánh giữa hai mạng ảo VSN1 và VSN2 về khía cạnh quan trọng nhất là khả năng chịu lỗi và khả năng tiết kiệm năng lượng. Do mục tiêu đưa ra khi thiết kế mạng ảo này là đảm bảo cho mạng VSN1 có chất lượng và thời gian sống lâu hơ n VSN2 nên hiệu quả của mỗi mạng sẽ được đánh giá qua thời gian sống của mạng và tỉ lệ lỗi gói tin. Trong các mô phỏng được thực hiện mức năng lượng ban đầu là 1Jun và trong quá trình hoạt động của mạng không có sự can thiệp để tiếp thêm năng lượng. Mô hình mô phỏng chính được sử dụng để so sánh là một mạng cảm biến gồm 200 nút cảm biến với kích thước 1000x500m, gồm 2 mạng ảo VSN1 và VSN2. Mỗi mạng ảo có vị trí cố định trước với số nút cảm biến là 100 nút và kích thước mỗi mạng ảo là 500x500m. Số lượng gói tin dữ liệu được chuyển tới trạm gốc trong mỗi sự kiện là 30. Giới hạn truyền tải là 150m và giới hạn cảm biến là 70m. Ngưỡng chuyển đổi giữa 2 nút chuyển tiếp và dự trữ là 0.5% mức năng lượng ban đầu của nút cảm biến, ngưỡng giới hạn năng lượng dừng hoạt động của nút đặt ở mức 1%

58 50 năng lượng ban đầu. Một nút cảm biến sẽ dừng mọi hoạt động định tuyến cũng như gửi nhận dữ liệu cảm biến trong nhóm khi mức năng lượng của nó xuống dưới 1% mức năng lượng ban đầu này. Các thông số này được cấu hình trong file omnetpp.ini như trong hình 3.4 Hình 3.4 Thông số cấu hình trong file omnetpp.ini Chương trình mô phỏng sẽ được chạy cho tới khi tất cả các nút cảm biến mà có khoảng cách tới trạm gốc nhỏ hơn giới hạn truyền tải đã hết năng lượng. Khi đó có nghĩa không còn tồn tại một tuyến đường truyền tải dữ liệu nào tới trạm gốc và mọi liên lạc trao đổi thông tin từ mọi nút cảm biến trong mạng tới trạm gốc đều bị cắt đứt hoàn toàn. Quá trình mô phỏng diễn ra như trong hình 3.5 Hình 3.5 Quá trình mô phỏng Sau khi kết thúc quá trình mô phỏng, kết quả các thông số đầu ra được ghi lại trong file Result.txt bao gồm: