- Trang Chủ
- Kĩ thuật Viễn thông
- SDN-WISE-Trickle: giải pháp tối ưu hóa hiệu năng mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ mạng định nghĩa bằng phần mềm
Xem mẫu
- SDN-WISE-Trickle: giải pháp tối ưu hóa hiệu năng
mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ
mạng định nghĩa bằng phần mềm
Nguyen Quang Hieu, Hoang Van Quang*, Nguyen Tien Hong, Nguyen Huu Thanh
Hanoi University of Science and Technology
Hanoi University of Industry*, Vietnam
Email: 20131418@student.hust.edu.vn, thanh.nguyenhuu@hust.edu.vn
Tóm tắt nội dung—Cùng với sự phát triển nhanh chóng của • Thiết kế và triển khai bộ định tuyến tập trung SDN-WISE
Internet vạn vật - IoT, mạng cảm biến không dây - Wireless Controller cho mạng cảm biến không dây.
Sensor Networks đóng vai trò vô cùng quan trọng trong một hệ • Tối ưu hóa năng lượng của mạng cảm biến không dây
sinh thái IoT. Trong một mạng cảm biến không dây, các thiết bị
bằng việc kết hợp SDN-WISE Controller và thuật toán
cảm biến (sensor) trao đổi thông tin với nhau qua môi trường
không dây, đa chặng. Các thiết bị cảm biến thường có những Trickle.
hạn chế về khả năng lưu trữ, tính toán. Với các đặc tính như Phần tiếp theo của bài báo sẽ được cấu trúc như sau. Ở
trên, việc định tuyến trong mạng cảm biến không dây là một Phần II chúng tôi đề cập đến những công trình nghiên cứu
vấn đề quan trọng và cần được giải quyết tối ưu. Trong bài báo và nền tảng liên quan. Phần III sẽ trình bày về SDN-WISE
này, chúng tôi đề xuất giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng
Controller mà chúng tôi triển khai. Phần IV trình bày về thuật
trong mạng cảm biến không dây dựa trên hai giải pháp là mạng
định nghĩa bằng phần mềm - Software Defined Networking, và toán Trickle và phương pháp triển khai thuật toán Trickle trong
Trickle timing. Giải pháp đề xuất cho thấy đã đạt được tiêu chí mạng SDN-WISE. Phần V sẽ là chi tiết quá trình mô phỏng
tối ưu năng lượng tiêu thụ của mạng, đồng thời vẫn đảm bảo đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến. Cuối cùng Phần VI
độ tin cậy (trễ, tỉ lệ mất gói, etc). là kết luận.
Index Terms—Mạng cảm biến không dây, mạng định nghĩa
bằng phần mềm, thuật toán Trickle,định tuyến tiết kiệm năng
lượng. II. CÁC NGHIÊN CỨU NỀN TẢNG
Phần này sẽ trình bày về các nghiên cứu trước đây liên
I. GIỚI THIỆU quan đến công nghệ SDN trong mạng cảm biến không dây,
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của Internet ưu nhược điểm của các nghiên cứu ở Phần II-A. Phần II-B sẽ
of Things (IoT) dẫn tới nhiều ứng dụng và giao thức IoT trình bày tổng quan về giao thức SDN-WISE.
được phát triển để đáp ứng nhu cầu kết nối các cảm biến. A. Giải pháp SDN trong mạng cảm biến không dây
Một giao thức nổi phổ biến được sử dụng rộng rãi như
Ý tưởng phát triển công nghệ SDN trong mạng cảm biến
6LoWPAN [1] với hỗ trợ IPv6, hay ZigBee [2] cho thấy
không dây là một hướng nghiên cứu mới nhận được nhiều sự
sự linh hoạt và phù hợp với ứng dụng IoT. Song song với
quan tâm những năm gần đây. T. Lou et al. [6] đưa ra ý tưởng
IoT, công nghệ mạng Software Defined Networking - SDN
về sử dụng OpenFlow cho mạng cảm biến không dây bằng
cũng là một làn sóng mới của mạng Internet thế hệ tiếp
việc áp dụng và cải tiến giao thức Open Flow, trong khi đó S.
theo. Đã có nhiều công trình nghiên cứu đưa ra các cách
Costanzo et al. [4] đưa ra chồng giao thức Software Defined
giải quyết vấn đề trong mạng cảm biến không dây bằng
Wireless Network (SDWNs) mà sau đó được phát triển thành
công nghệ SDN. Trong đó SDN-WISE [3] là một sự kết hợp
SDN-WISE bởi L. Gallucio et al. [3]. SDN-WISE cho thấy sự
mềm mại giữa SDN và Wireless Sensor Networks. Giao thức
linh hoạt, phù hợp và dễ dàng áp dụng với nền tảng sẵn có
SDN-WISE đã đưa ra kiến trúc, cơ chế dựa theo ý tưởng
của nhiều thiết bị cảm biến. Tuy nhiên cả giao thức Sensor
của mạng SDN. Đã có những nghiên cứu và đánh giá nền
Openflow và SDN-WISE đều còn những hạn chế. Trong giao
tảng cho giao thức SDN-WISE bởi S. Costanzo et al. [4], L.
thức SDN-WISE, để phục vụ cho việc định tuyến tập trung tại
Galluccio et al. [3] và C. Burrati et al. [5]. Tuy nhiên bằng
Controller, các node trong mạng được yêu cầu gửi thông tin
thực nghiệm chúng tôi nhận thấy cơ chế trao đổi bản tin
của chúng đến một thiết bị gateway của mạng là Sink node,
của SDN-WISE còn có một số vấn đề dẫn tới tiêu tốn năng
và Sink node sẽ trao đổi thông tin với Controller. Việc gửi
lượng. Đóng góp trong bài nghiên cứu của chúng tôi như sau: 1
định kì các bản tin định tuyến này chưa có cơ chế điều khiển
hợp lý dẫn tới tiêu tốn nhiều năng lượng không cần thiết. Các
1 Bài báo này được phát triển thêm từ nghiên cứu trước đây của chúng tôi bản tin định tuyến được điều khiển bằng một bộ đếm - timer
theo Nguyen Quang Hieu et al. [8]. trong các thiết bị. Cơ chế đặc thù của SDN-WISE là các timer
212
- sẽ được cài đặt gửi các bản tin định tuyến định kì theo những Bảng I
quãng thời gian nhất định, hay còn gọi là các interval. Độ dài CHỒNG GIAO THỨC SDN-WISE
các quãng giữa những lần gửi bản tin ảnh hưởng lớn tới năng Protocol stack SDN-WISE
lượng lẫn độ tin cậy của mạng. Nếu độ dài các quãng quá nhỏ APP Controller
(cỡ một vài giây) sẽ gây ra hiệu ứng overhead - tại đó các Topology discovery
thiết bị phải liên tục phát và xử lý các bản tin định tuyến, dẫn NET In-network processing
tới tiêu tốn năng lượng không cần thiết, gây ra độ trễ và mất Forwarding
gói tin. Ngước lại nếu độ dài các quãng quá lớn (cỡ vài phút) MAC CSMA
thì các thiết bị sẽ tiết kiệm được năng lượng hơn nhưng thông RDC Contiki MAC
tin về trạng thái của mạng lại được cập nhật quá chậm, có thể PHY IEEE 802.15.4
dẫn tới hiện tượng vòng lặp trong quá trình định tuyến. Với ý
tưởng cải thiện timer của các thiết bị, đảm bảo cho quá trình
định tuyến lẫn tối ưu về hiệu năng, chúng tôi áp dụng ý tưởng tin Request được gửi tới Sink node và chuyển tiếp tới
của thuật toán Trickle [7] vào bộ đếm của các thiết bị, từ đó Controller
điều khiển các bản tin định tuyến theo cơ chế linh động, hiệu • Response: tạo bởi Controller để trả lời bản tin Request
quả hơn. Chi tiết và ứng dụng thuật toán Trickle sẽ được trình của các node trong mạng.
bày trong Phần IV. • Open Path: sử dụng để tạo đường định tuyến duy nhất
giữa các node.
B. SDN-WISE: Giải pháp định tuyến sử dụng công nghệ mạng • Configure: giúp quản trị viên thay đổi thông số cài đặt
định nghĩa bằng phần mềm của bất kì node trong mạng chỉ bằng cách gửi bản tin
S.Costanzo et al. [4] đã đặt ra mô hình chồng giao thức này từ Controller.
sử dụng trong mạng cảm biến không dây dựa trên ý tưởng 2) Giao thức định tuyến: Trong mạng SDN-WISE, các node
của mạng SDN. L. Galluccio el al. [3] đã phát triển và chuẩn sẽ liên tục trao đổi bản tin Beacon và Report. Bản tin Beacon
hóa ý tưởng này thành giao thức SDN-WISE với mô hình mô giúp các node khám phá và thiết lập thông tin về các node hàng
phỏng và mô hình thí nghiệm vật lý. xóm. Các bản tin Report phục vụ cho việc giúp Controller cập
1) Chồng giao thức: Chồng giao thức SDN-WISE được nhật thông tin cục bộ về toàn mạng, từ đó Controlelr đưa ra
trình bày ở Bảng I, trong đó tầng vật lý (PHY) và điều giải pháp định tuyến hợp lý.
khiển truy nhập (MAC) là của giao thức IEEE802.15.4, Trong mạng SDN-WISE các node vận hành một bảng định
các tầng phía trên được thiết kế với ý tưởng theo mô hình tuyến đặc biệt là WISE Flow table. Khác với bảng định tuyến
mạng SDN. Một mạng SDN-WISE gồm hai phần chính thông thường, WISE Flow table chứa Các Flow Entry, các
là Control plane gồm Controller(s) và Data plane gồm Flow Entry này có thể được cài đặt thêm hoặc xóa bỏ dựa vào
Sink và các node. Controller có nhiệm vụ thu thập dữ Controller. Trong WISE Flow table chỉ chứa thông về địa chỉ
liệu về mạng, từ đó xây dựng đồ hình mạng và đưa ra kế tiếp trong đường định tuyến, các node chỉ có chức năng
các quyết định về định tuyến. Sink là node đặc biệt duy chuyển tiếp, còn việc thiết lập các Flow Entry sẽ được gửi tới
nhất có kết nối với Controller, có thể xem Sink như là bới Controller. Ưu điểm của cơ chế này mang lại là các node
gateway của toàn mạng. Các node khác có nhiệm vụ thu sẽ tiết kiệm được tài nguyên quản lý các bảng định tuyến, từ
thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến Sink theo đường định tuyến lên. đó việc chuyển tiếp sẽ nhanh hơn và độ trẽ đầu cuối sẽ được
giảm đi. Tuy nhiên với việc các quyết định của mạng tập trung
Các chức năng chính của lớp mạng trong chồng giao tại Controller có thể dẫn tới sự mất mát thông tin trong quá
thức SDN-WISE đó là: (1)Topology Discovery, (2)In-network trình trao đổi thông tin giữa Controller và các node.
Processing, và (3)Forwarding. Lớp MAC sẽ chuyển tiếp bản
tin nhận được đến Forwarding layer và lớp này sẽ xác định III. SDN-WISE CONTROLLER: BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH
TUYẾN CHO MẠNG
loại bản tin và chuyển đến cho các lớp trên xử lý. SDN-WISE
đưa ra bảy loại bản tin: Trong phần này, chúng tôi trình bày về SDN-WISE Con-
• Data: bản tin được tạo bởi application layer. troller do nhóm phát triển trên hệ điều hành Contiki [12].
• Beacon: bản tin định tuyến, là bản tin broadcast phục SDN-WISE Controller là một phần mềm điều khiển có chức
vụ cho quá trình khám phá đồ hình mạng - Topology năng định tuyến cho toàn mạng. SDN-WISE Controller được
Discovery. phát triển bằng ngôn ngữ Java và giao tiếp Sink node qua
• Report: bản tin unicast chứa thông tin về các hàng xóm kết nối Serial. Mô hình của mạng SDN-WISE và SDN-WISE
của từng node trong mạng, được gửi đến sink một cách Controller được thể hiện qua Hình 1.
định kỳ. Report và Beacon là hai loại bản tin được sử dụng Về yêu cầu chức năng, SDN-WISE Controller được thiết kế
thường xuyên nhất trong quá trình định tuyến thông qua với các chức năng đảm bảo cho việc định tuyến như sau:
cơ chế gửi định kỳ theo các quãng thời gian nhất định. • Xây dựng cây theo đường ngắn nhất (Shortest Path Tree -
• Request: tạo bởi một node khi node đó không tìm thấy SPT) với nút gốc là Sink, sử dụng thuật toán Dijkstra và
thông tin cần xử lý về gói tin vừa nhận được. Bản trọng số các link là chỉ số RSSI. Thông tin về cây SPT
213
- lệ mất gói, từ đó giúp tối ưu về năng lượng tiêu thụ của việc
trao đổi các bản tin định tuyến. Việc kiểm soát quá trình trao
đổi các bản tin được quản lý bởi một timer trong các thiết bị
cảm biến, còn gọi là Trickle timer. Trickle timer sẽ dựa vào
trạng thái hiện tại của mạng để quyết định hành động gửi hoặc
hủy bỏ bản tin định tuyến. Trạng thái của mạng được dựa vào
các tham số đó là: số lượng các node hàng xóm, trạng thái
"consistent" (ổn định) hay "inconsistent" (không ổn định) của
các node hàng xóm (khái niệm "consistent" và "inconsistent"
sẽ được định nghĩa ở IV-C).
B. Các tham số và tham biến của thuật toán Trickle
Một Trickle timer hoạt động theo những ’quãng’ và có ba
tham số cấu hình: minimum interval size Imin , maximum
Hình 1. Mô hình mạng SDN-WISE
interval Imax và redundancy constant k:
• The minimum interval size - độ dài quãng nhỏ nhất Imin ,
được cập nhật mỗi khi nhận được một bản tin Report từ là khoảng thời gian ngắn nhất có thể giữa hai lần gửi bản
mạng. tin định tuyến liên tiếp. Imin được định nghĩa là một đơn
• Tự động chuyển tiếp bản tin định tuyến cho tất cả các vị thời gian (e.g., miliseconds, seconds).
node trong mạng thông qua kết nối Serial với Sink node. • The maximum interval size - độ dài quãng lớn nhất, Imax
• Trả lời bản tin Request từ các node chưa có thông tin là khoảng thời gian dài nhất có thể giữa hai lần gửi bản
định tuyến. tin định tuyến liên tiếp. Giá trị Imax có một ràng buộc
• Gửi bản tin định tuyến cho một node nhất định trong là
mạng. Imax = Imin × 2d (1)
Các thông tin về mạng sẽ được Controller quản lý qua các trong đó d là một số nguyên lớn hơn 0, d còn gọi là
Object, các Object được sử dụng đó là: Interval doubling
• Node object: đại diện cho các sensor node trong mạng, • Hằng số dư thừa, k, một số tự nhiên lớn hơn 0.
mỗi Node object lại có các trường thông tin như Neighbor Thêm vào đó Trickle duy trì ba tham biến:
table, Battery, Distance to the Sink. • I, độ dài quãng hiện tại với ràng buộc Imin ≤ I ≤ Imax
• Edge object: đại diện cho các liên kết giữa các node, mỗi
• t, thời điểm gửi bản tin định tuyến trong quãng hiện tại.
Edge object có các trường thông tin như RSSI, Direction. • c, counter - bộ đếm số bản tin trao đổi.
• Network object: đại diện cho thông tin về đồ hình của
mạng, trong đó có chứa tập các Node và Edge. C. Hoạt động
Với ý tưởng quản lý mạng bằng phần mềm của công nghệ Thuật toán Trickle tuân theo sáu bước sau:
SDN, Controller sẽ có thông tin cụ thể của toàn mạng, qua đó 1) Khi thuật toán được khởi tạo, giá trị I được đặt ngẫu
việc quản trị và vận hành mạng sẽ đơn giản và nhanh chóng. nhiên trong đoạn [Imin , Imax ], tức là lớn hơn hoặc bằng
Việc điều khiển quá trình định tuyến và cập nhật thông tin về Imin và nhỏ hơn hoặc bằng Imax. Thuật toán bắt đầu
mạng có thể dễ dàng thực hiện bằng phần mềm. Mô hình của "quãng" đầu tiên. Thông thường để thời gian hội tụ của
mạng SDN-WISE và SDN-WISE controller được thể hiện qua quá trình định tuyến được nhanh hơn thì có thể đặt I =
Hình 1. Imin
2) Khi một quãng được bắt đầu, Trickle đặt c về 0 và đặt
IV. TRICKLE TIMER: ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI TRÊN NỀN
t là một giá trị thời gian ngẫu nhiên trong nửa khoảng
GIAO THỨC SDN-WISE
[I/2, I), tức là lớn hơn hoặc bằng I/2 và nhỏ hơn I.
Như đã trình bày ở II-A, giao thức SDN-WISE cần một cơ "Quãng" kết thúc tại thời điểm I.
chế hợp lý để điểu khiển các bản định tuyến trao đổi trong 3) Mỗi khi Trickle nghe thấy một tín hiệu "consistent" thì
mạng một cách hợp lý và tối ưu nhất về tài nguyên. Trong nó sẽ tăng couter c.
chương này chúng tôi sẽ trình bày ý tưởng, ứng dụng và thực 4) Ở thời điểm t, Trickle gửi bản tin nếu và chỉ nếu counter
thi thuật toán Trickle [7] trong việc cải thiện giao thức SDN- c nhỏ hơn hằng số dư thừa k.
WISE hướng tới tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong mạng 5) Khi "quãng" I kết thúc, Trickle gấp đôi độ dài của
cảm biến không dây. "quãng" I. Nếu độ dài của "quãng" mới lớn hơn giá
trị Imax thì nó sẽ được gán bằng giá trị Imax .
A. Tổng quan về thuật toán Trickle 6) Nếu Trickle nghe thấy một sự kiện "inconsistent" và I
Ý tưởng của thuật toán Trickle [7] là hạn chế số lượng các lớn hơn Imin , Trickle timer sẽ được reset. Trickle đặt
bản tin định tuyến trao đổi trong mạng đồng thời vẫn đảm I về giá trị Imin và bắt đầu một "quãng" mới như ở
bảo các thông số về độ tin cậy của mạng như thời gian trễ, tỉ bước 2. Nếu I bằng Imin và Trickle nghe thấy tín hiệu
214
- "inconsistent" thì nó sẽ không thực hiện gì cả. Ngoài
ra Trickle có thể reset dựa vào một sự kiện bên ngoài
("external events").
Các định nghĩa "consitent", "inconsistent" và "external
events" được định nghĩa tùy theo giao thức sử dụng thuật toán.
Chúng tôi sẽ trình bày các định nghĩa này ở Phần IV-D. Hoạt
động của thuật toán Trickle được khái quát qua Hình 2.
D. Tích hợp Trickle timer và giao thức SDN-WISE
Trickle timer đã được sử dụng như timer tiêu chuẩn của
giao thức định tuyến RPL [9] và cho thấy hiệu năng tin cậy.
Do nhiều sự khác biệt giữa giao thức SDN-WISE và các giao
thức định tuyến khác nên việc ứng dụng thuật toán Trickle cần
những sự thay đổi phù hợp. Chúng tôi định nghĩa các yêu cầu
hoạt động của Trickle timer trong giao thức SDN-WISE như
sau:
• Sự kiện "insonsistent" là những sự kiện mà chỉ số RSSI
tại một node vượt quá một mức ngưỡng đặt trước là RSSI
resolution. Ví dụ, các sự kiện dẫn tới điều này có thể là
việc thêm hoặc bớt một node vào mạng ( một node phát
hiện một hàng xóm mới ), hoặc một node hàng xóm bị
dịch chuyển. Các tác động trên có thể làm thay đổi chỉ
số RSSI vượt mức ngưỡng quy định gây ra "inconsistent"
event.
• Nếu không xảy ra các sự kiện trên thì có thể xem như
mạng ở trạng thái "consistent". Hình 2. Thuật toán Trickle
• "External events" chúng tôi đưa ra là sự kiện Controller
gửi bản tin Configure để reset Trickle timer của một node Để đánh giá tác động của Trickle timer đến năng lượng tiêu
nhất định trong mạng theo ý của quản trị viên. thụ trung bình của toàn mạng, chúng tôi đã đánh giá độ tối
ưu kênh truyền của hai giao thức theo các giá trị khác nhau
V. QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
của d ở công thức 1. Các Interval doubling d được chúng
Để đánh giá hiệu năng của giải pháp đề xuất, chúng tôi tôi đánh giá dao động từ 1 đến 8. Trickle timer trong RPL
thực hiện quá trình mô phỏng trên công cụ mô phỏng Cooja được đưa ra với Interval doubling tiêu chuẩn là d = 8. Khi
simulator của hệ điều hành Contiki. Cooja simulator là công đó giá trị "quãng" hiện tại I của Trickle timer sẽ dao động
cụ mô phỏng cross-layer cho phép mô phỏng chính xác hiệu trong đoạn [Imin, Imax].
năng của mạng bằng cách sử dụng firmware của các thiết bị
B. Kết quả mô phỏng và đánh giá
cảm biến thực tế để mô phỏng. Chúng tôi sẽ đánh giá hiệu
năng của giải pháp đề xuất tương ứng với các thông số: năng 1) Năng lượng tiêu thụ trung bình của mạng: Về năng
lượng tiêu thụ của mạng, độ tối ưu kênh truyền, tỉ lệ mất gói lượng tiêu thụ trung bình của mạng, chúng tôi sử dụng công
và độ trễ. Chúng tôi sẽ sử dụng một giao thức định tuyến khác cụ Powertrace [11]. Powertrace là một phần mềm đo đạc năng
là RPL [9] để so sánh ưu, nhược điểm của giải pháp đề xuất. lượng tiêu thụ của thiết bị cảm biến dựa trên thời gian hoạt
động của các module. Từ thời gian hoạt động của các module
A. Kịch bản mô phỏng và các thông số về dòng và áp của thiết bị có thể tính ra năng
Với giao thức SDN-WISE, quá trình trao đổi các bản tin lượng tiêu thụ trung bình theo công thức 2
định tuyến sẽ được điều khiển bởi Trickle timer như đã trình E X
bày ở phần IV-C. Ngoài các bản tin định tuyến gồm các bản = Im tm + Il tl + It tt + Ir tr + Ici tci , (2)
V i
tin Beacon và Report, các node trong mạng gửi bản tin Data
tới Sink node với chu kì mỗi phút một bản tin. Đồ hình sử trong đó V là hiệu điện thế cung cấp, Im và tm lần lượt là
dụng là dạng lưới (grid) 4 × 3 (11 node và 1 Sink). Thời gian dòng và thời gian hoạt động của MCU. Il và tl là cường độ
thực hiện là 60 phút cho mỗi thí nghiệm. dòng điện và thời gian hoạt động của MCU khi ở trạng thái
Với giao thức RPL, Trickle timer cũng được cài đặt để kiểm tiết kiệm năng lượng (low power mode). It và tt là cường độ
sát quá trình định tuyến. Bản tin dữ liệu từ các node gửi tới dòng và thời gian của radio ở trạng thái truyền, tương tự Ir và
Sink được đóng gói trong bản tin UDP. Đồ hình mạng và thời tr là cường độ dòng và thời gian của radio ở trạng thái nhận.
gian thí nghiệm tương tự như giao thức SDN-WISE. Ngoài ra Ici và tci là dòng và thời gian hoạt động của các
Kịch bản mô phỏng được tóm tắt trong bảng II. phần tử khác như sensor hoặc LED. Trong mô hình mô phỏng
215
- Bảng II
CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG
Parameters SDNWISE 6LowPAN/RPL
Operating System Contiki Contiki
Communication Controller CoAP
protocols Topology Discovery UDP
In-network processing RPL
Forwarding 6LowPAN adaptation
CSMA CSMA
ContikiMAC RDC - 8Hz ContikiMAC RDC - 8Hz
IEEE 802.15.4 PHY IEEE 802.15.4 PHY
Minimum Interval 4(seconds) 4(seconds)
Redundancy constant 10 10
k
Default Interval 8 8 Hình 3. Năng lượng tiêu thụ trung bình của mạng bới MCU và Radio
doubling
Topology Grid 4 × 3 Grid 4 × 3
Mote type Z1 Z1
Simulation time 60 minutes for each 60 minutes for each
của chúng tôi, các thông số về dòng và áp sẽ được lấy theo
Datasheet của thiết bị Z1 MCU [13] và Radio CC2420 [14] ,
do không sử dụng các thiết bị cảm biến nên Ici và tci sẽ đều
bằng 0.
Hình 3 cho thấy năng lượng tiêu trung bình của mạng bởi
hai giao thức. Trong đó năng lượng tiêu thụ chủ yếu bởi phần
tử Radio, thể hiện qua hai thông số Transmit và Listen. Thuật
toán Trickle cho thấy có thể giảm đáng kể năng lượng tiêu
thụ của Radio ở cả hai giao thức SDN-WISE và RPL (SDN-
WISE-Trickle là giao thức SDN-WISE được tích hợp Trickle
timer còn SDN-WISE được dùng timer tiêu chuẩn với chu kì
gửi bản tin Beacon là 10 giây).
Hình 4. Độ tối ưu kênh truyền
2) Mức độ tối ưu hóa tài nguyên kênh truyền: Mức tối ưu
hóa tài nguyên kênh truyền (channel utilization) được tính theo
công thức
chúng tôi thay đổi thông số Interval doubling của thuật toán
tt từ giá trị 1 đến 8. Kết quả cho thấy giao thức SDN-WISE luôn
RadioT X(%) = × 100%, (3)
tm + tl tối ưu hơn về kênh truyền với các giá trị tham số khác nhau
trong đó tt và tl tương ứng như trong công thức 2. Tỉ lệ tối của thuật toán Trickle.
ưu về kênh truyền RadioT X đại diện cho tỉ lệ giữa thời gian 3) Độ trễ và tỉ lệ mất gói: Chúng tôi đánh giá các thông
Radio ở chế độ truyền so với tổng thời gian hoạt động của số về end-to-end delay và end-to-end PDR, trong đó End-to-
MCU. Tỉ lệ này càng nhỏ thì năng lượng tiêu thụ bởi hoạt end delay là trễ trung bình của các bản tin data gửi từ các
động của Radio càng ít. node đến Sink, End-to-end PDR là tỉ lệ số bản tin data nhận
Hình 4 cho thấy giao thức SDN-WISE-Trickle đạt được khả được tại Sink trên tổng số bản tin gửi từ các node. Kết quả
năng tối ưu về kênh truyền tốt hơn giao thức RPL. Kết quả
có thể được giải thích thông qua Bảng III và Hình 5. Trong
đó giao thức SDN-WISE với cơ chế định tuyến đã được tập
trung tại Controller nên trong bản tin định tuyến các trường
liên quan đến thông tin định tuyến đã được lược bỏ, cho độ dài
header của bản tin ngắn hơn so với giao thức RPL (48 bytes so
với 102 bytes). Với các thông số tương ứng về tốc độ bit của
Radio ta có thể tính được thời gian Radio truyền hết một đơn
Hình 5. Với ContikiMAC, các bản tin broadcast được gửi lặp đi lặp lại nhiều
vị bản tin tsend và thời gian hoàn tất việc truyền hết bản tin lần trong một khoảng thời gian strobe time. Ví dụ np = 5 trong hình
tT X/strobe theo cơ chế của tại lớp MAC là ContikiMAC [10]. trên, dẫn tới tT X/strobe = tsend × np = tsend × 5, trong đó tsend =
Để đánh giá ảnh hưởng của Trickle timer lên hai giao thức, P acket length/Radio bitrate
216
- được thể hiện qua Hình 6 và 7. Với giao thức SDN-WISE, cơ
Bảng III
chế chuyển tiếp của bản tin đơn giản do quá trình tính toán
ĐỘ DÀI BẢN TIN ĐỊNH TUYẾN VÀ THỜI GIAN R ADIO HOÀN TẤT TRUYỀN định tuyến phụ thuộc vào Controller, các node chỉ có chức
MỘT BẢN TIN BROADCAST năng chuyển tiếp bản tin nhận được nên sẽ cho độ trễ nhỏ
hơn. Nhưng bù lại với cơ chế quản lý hàng xóm và tính toàn
Parameters SDN-WISE Beacon packet RPL DIO packet
định tuyến thì giao thức RPL cho tỉ lệ PDR cao hơn. Tương
Strobe time 127.4 ms 127.4 ms
ứng với tham số Interval doubling 1, tức là độ dài quãng
Radio bitrate 250 kbps 250 kbps
Imax = 2 × Imin , nghĩa là mật độ các bản tin trao đổi sẽ
Packet length 48 bytes 102 bytes
giày hơn do đó gây ra hiệu năng toàn mạng giảm. Giá trị tiêu
tsend 1.536 ms 3.264 ms
chuẩn của tham số Interval doubling được đưa ra bởi giao
np 49 packets 30 packets
thức RPL là 8, ở đó hiệu năng của mạng có thể được đảm
tT X/strobe 75.264 ms 97.92 ms
bảo.
VI. KẾT LUẬN
Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán Trickle đã giúp giảm
năng lượng tiêu thụ của mạng qua việc giảm số lượng bản tin
định tuyến trao đổi. Với Trickle timer, giao thức SDN-WISE
đã giảm được số lượng trao đổi bản tin Beacon và Report,
ngoài ra việc gửi bản tin ngẫu nhiên trong khoảng thời gian
[I/2,I) của Trickle timer cũng giúp giảm việc xảy ra va đập
khi các node trong mạng gửi bản tin trao đổi, do đó có thể
tránh việc gửi lại các bản tin không cần thiết.
TÀI LIỆU
[1] RFC4919 IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks
(6LoWPANs): Overview, Assumptions, Problem Statement, and Goals.
N. Kushalnagar, G. Montenegro, C. Schumacher. August 2007.
[2] [Online] https://www.zigbee.org/
[3] L. Galluccio, S. Milardo, G. Morabito, and S. Palazzo. "SDN-WISE:
Design, prototyping and experimentation of a stateful SDN solution for
WIreless SEnsor networks". Proc. of IEEE INFOCOM 2015. April 2015.
[4] S. Costanzo, L. Galluccio, G. Morabito and S. Palazzo, "Software Defined
Wireless Networks: Unbridling SDNs," 2012 European Workshop on
Software Defined Networking, Darmstadt, 2012, pp. 1-6.
[5] C. Buratti, A. Stajkic, G. Gardasevic, S. Milardo, M.D. Abrignani, S.
Hình 6. Thời gian trễ đầu-cuối trung bình Mijovic, G. Morabito, and R. Verdone "Testing Protocols for the Internet
of Things on the EuWIn Platform". in IEEE Internet of Things Journal.
2015
[6] T. Luo, H.-P. Tan, and T. Q. S. Quek. Sensor OpenFlow: "Enabling
Software-Defined Wireless Sensor Networks". IEEE Communications
Letter. Vol. 16, No. 11, pp: 1896–1899. November 2012.
[7] RFC6206 The Trickle Algorithm. P. Levis, T. Clausen, J. Hui, O. Gnawali,
J. Ko. March 2011.
[8] Nguyen Quang Hieu, Nguyen Huu Thanh, Truong Thu Huong, Ngo
Quynh Thu, "Integrating Trickle Timing in Software Defined WSNs
for Energy Efficiency", 2018 IEEE Seventh International Conference on
Communications and Electronics (ICCE) (IEEE ICCE 2018), 18th-20th
July 2018, Hue City, Vietnam
[9] RFC6550 RPL: IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Net-
works. T. Winter, Ed., P. Thubert, Ed., A. Brandt, J. Hui, R. Kelsey, P.
Levis, K. Pister, R. Struik, JP. Vasseur, R. Alexander. March 2012.
[10] A. Dunkels. "The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol". SICS
Technical Report T2011:13, ISSN 1100-3154, December 2011.
[11] A. Dunkels, J. Eriksson, N. Finne, and N. Tsiftes. "Powertrace: Network-
Level Power Profiling for Lowpower Wireless Networks". Technical
Report T2011:05, SICS, 2011.
[12] A. Dunkels, B. Gronvall and T. Voigt, "Contiki - a lightweight and
flexible operating system for tiny networked sensors," 29th Annual IEEE
International Conference on Local Computer Networks, 2004, pp. 455-
462.
[13] [Online] http://zolertia.sourceforge.net/wiki/images/e/e8/Z1_RevC_Datasheet.pdf
[14] [Online] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2420.pdf
Hình 7. Tỉ lệ nhận gói đầu cuối trung bình (PDR)
217
nguon tai.lieu . vn
