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: ,

Tóm tắt nội dung—Cùng với sự phát triển nhanh chóng của
Internet vạn vật - IoT, mạng cảm biến khơng dây - Wireless
Sensor Networks đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong một hệ
sinh thái IoT. Trong một mạng cảm biến không dây, các thiết bị
cảm biến (sensor) trao đổi thông tin với nhau qua môi trường
không dây, đa chặng. Các thiết bị cảm biến thường có những
hạn chế về khả năng lưu trữ, tính tốn. Với các đặc tính như
trên, việc định tuyến trong mạng cảm biến khơng dây là một
vấn đề quan trọng và cần được giải quyết tối ưu. Trong bài báo
này, chúng tôi đề xuất giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng
trong mạng cảm biến không dây dựa trên hai giải pháp là mạng
định nghĩa bằng phần mềm - Software Defined Networking, và
Trickle timing. Giải pháp đề xuất cho thấy đã đạt được tiêu chí
tối ưu năng lượng tiêu thụ của mạng, đồng thời vẫn đảm bảo
độ tin cậy (trễ, tỉ lệ mất gói, etc).
Index Terms—Mạng cảm biến không dây, mạng định nghĩa
bằng phần mềm, thuật toán Trickle,định tuyến tiết kiệm năng
lượng.

I. GIỚI THIỆU
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của Internet
of Things (IoT) dẫn tới nhiều ứng dụng và giao thức IoT
được phát triển để đáp ứng nhu cầu kết nối các cảm biến.

Một giao thức nổi phổ biến được sử dụng rộng rãi như
6LoWPAN [1] với hỗ trợ IPv6, hay ZigBee [2] cho thấy
sự linh hoạt và phù hợp với ứng dụng IoT. Song song với
IoT, công nghệ mạng Software Defined Networking - SDN
cũng là một làn sóng mới của mạng Internet thế hệ tiếp
theo. Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu đưa ra các cách
giải quyết vấn đề trong mạng cảm biến khơng dây bằng
cơng nghệ SDN. Trong đó SDN-WISE [3] là một sự kết hợp
mềm mại giữa SDN và Wireless Sensor Networks. Giao thức
SDN-WISE đã đưa ra kiến trúc, cơ chế dựa theo ý tưởng
của mạng SDN. Đã có những nghiên cứu và đánh giá nền
tảng cho giao thức SDN-WISE bởi S. Costanzo et al. [4], L.
Galluccio et al. [3] và C. Burrati et al. [5]. Tuy nhiên bằng
thực nghiệm chúng tôi nhận thấy cơ chế trao đổi bản tin
của SDN-WISE cịn có một số vấn đề dẫn tới tiêu tốn năng
lượng. Đóng góp trong bài nghiên cứu của chúng tôi như sau: 1
1 Bài báo này được phát triển thêm từ nghiên cứu trước đây của chúng tôi
theo Nguyen Quang Hieu et al. [8].

Thiết kế và triển khai bộ định tuyến tập trung SDN-WISE
Controller cho mạng cảm biến khơng dây.
• Tối ưu hóa năng lượng của mạng cảm biến không dây
bằng việc kết hợp SDN-WISE Controller và thuật toán
Trickle.
Phần tiếp theo của bài báo sẽ được cấu trúc như sau. Ở
Phần II chúng tôi đề cập đến những cơng trình nghiên cứu
và nền tảng liên quan. Phần III sẽ trình bày về SDN-WISE
Controller mà chúng tơi triển khai. Phần IV trình bày về thuật
tốn Trickle và phương pháp triển khai thuật toán Trickle trong
mạng SDN-WISE. Phần V sẽ là chi tiết q trình mơ phỏng

đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến. Cuối cùng Phần VI
là kết luận.
•

II. CÁC NGHIÊN

CỨU NỀN TẢNG

Phần này sẽ trình bày về các nghiên cứu trước đây liên
quan đến công nghệ SDN trong mạng cảm biến không dây,
ưu nhược điểm của các nghiên cứu ở Phần II-A. Phần II-B sẽ
trình bày tổng quan về giao thức SDN-WISE.
A. Giải pháp SDN trong mạng cảm biến không dây
Ý tưởng phát triển công nghệ SDN trong mạng cảm biến
không dây là một hướng nghiên cứu mới nhận được nhiều sự
quan tâm những năm gần đây. T. Lou et al. [6] đưa ra ý tưởng
về sử dụng OpenFlow cho mạng cảm biến không dây bằng
việc áp dụng và cải tiến giao thức Open Flow, trong khi đó S.
Costanzo et al. [4] đưa ra chồng giao thức Software Defined
Wireless Network (SDWNs) mà sau đó được phát triển thành
SDN-WISE bởi L. Gallucio et al. [3]. SDN-WISE cho thấy sự
linh hoạt, phù hợp và dễ dàng áp dụng với nền tảng sẵn có
của nhiều thiết bị cảm biến. Tuy nhiên cả giao thức Sensor
Openflow và SDN-WISE đều còn những hạn chế. Trong giao
thức SDN-WISE, để phục vụ cho việc định tuyến tập trung tại
Controller, các node trong mạng được yêu cầu gửi thông tin
của chúng đến một thiết bị gateway của mạng là Sink node,
và Sink node sẽ trao đổi thơng tin với Controller. Việc gửi
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

bản tin định tuyến được điều khiển bằng một bộ đếm - timer
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
qng thời gian nhất định, hay cịn gọi là các interval. Độ dài
các quãng giữa những lần gửi bản tin ảnh hưởng lớn tới năng
lượng lẫn độ tin cậy của mạng. Nếu độ dài các quãng quá nhỏ
(cỡ một vài giây) sẽ gây ra hiệu ứng overhead - tại đó các
thiết bị phải liên tục phát và xử lý các bản tin định tuyến, dẫn
tới tiêu tốn năng lượng không cần thiết, gây ra độ trễ và mất
gói tin. Ngước lại nếu độ dài các quãng quá lớn (cỡ vài phút)
thì các thiết bị sẽ tiết kiệm được năng lượng hơn nhưng thông
tin về trạng thái của mạng lại được cập nhật quá chậm, có thể
dẫn tới hiện tượng vịng lặp trong q 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 tơi áp dụng ý tưởng
của thuật tốn Trickle [7] vào bộ đếm của các thiết bị, từ đó
điều khiển các bản tin định tuyến theo cơ chế linh động, hiệu
quả hơn. Chi tiết và ứng dụng thuật toán Trickle sẽ được trình
bày trong Phần IV.
B. SDN-WISE: Giải pháp định tuyến sử dụng công nghệ mạng
định nghĩa bằng phần mềm
S.Costanzo et al. [4] đã đặt ra mơ hình chồng giao thức
sử dụng trong mạng cảm biến không dây dựa trên ý tưởng
của mạng SDN. L. Galluccio el al. [3] đã phát triển và chuẩn
hóa ý tưởng này thành giao thức SDN-WISE với mơ hình mơ
phỏng và mơ hình thí nghiệm vật lý.

1) Chồng giao thức: Chồng giao thức SDN-WISE được
trình bày ở Bảng I, trong đó tầng vật lý (PHY) và điều
khiển truy nhập (MAC) là của giao thức IEEE802.15.4,
các tầng phía trên được thiết kế với ý tưởng theo mơ hình
mạng SDN. Một mạng SDN-WISE gồm hai phần chính
là Control plane gồm Controller(s) và Data plane gồm
Sink và các node. Controller có nhiệm vụ thu thập dữ
liệu về mạng, từ đó xây dựng đồ hình mạng và đưa ra
các quyết định về định tuyến. Sink là node đặc biệt duy
nhất có kết nối với Controller, có thể xem Sink như là
gateway của tồn mạng. Các node khác có nhiệm vụ thu
thập dữ liệu và gửi dữ liệu đến Sink theo đường định tuyến lên.
Các chức năng chính của lớp mạng trong chồng giao
thức SDN-WISE đó là: (1)Topology Discovery, (2)In-network
Processing, và (3)Forwarding. Lớp MAC sẽ chuyển tiếp bản
tin nhận được đến Forwarding layer và lớp này sẽ xác định
loại bản tin và chuyển đến cho các lớp trên xử lý. SDN-WISE
đưa ra bảy loại bản tin:
•
•

•

•

Data: bản tin được tạo bởi application layer.
Beacon: bản tin định tuyến, là bản tin broadcast phục
vụ cho quá trình khám phá đồ hình mạng - Topology
Discovery.
Report: bản tin unicast chứa thông tin về các hàng xóm

của từng node trong mạng, được gửi đến sink một cách
định kỳ. Report và Beacon là hai loại bản tin được sử dụng
thường xuyên nhất trong quá trình định tuyến thông qua
cơ chế gửi định kỳ theo các quãng thời gian nhất định.
Request: tạo bởi một node khi node đó khơng tìm thấy
thơng tin cần xử lý về gói tin vừa nhận được. Bản

Bảng I
CHỒNG

GIAO THỨC

Protocol stack

SDN-WISE

SDN-WISE

APP

Controller

NET

Topology discovery
In-network processing
Forwarding

MAC


CSMA

RDC

Contiki MAC

PHY

IEEE 802.15.4

tin Request được gửi tới Sink node và chuyển tiếp tới
Controller
• Response: tạo bởi Controller để trả lời bản tin Request
của các node trong mạng.
• Open Path: sử dụng để tạo đường định tuyến duy nhất
giữa các node.
• Configure: giúp quản trị viên thay đổi thông số cài đặt
của bất kì node trong mạng chỉ bằng cách gửi bản tin
này từ Controller.
2) Giao thức định tuyến: Trong mạng SDN-WISE, các node
sẽ liên tục trao đổi bản tin Beacon và Report. Bản tin Beacon
giúp các node khám phá và thiết lập thơng tin về các node hàng
xóm. Các bản tin Report phục vụ cho việc giúp Controller cập
nhật thông tin cục bộ về tồn mạng, từ đó Controlelr đưa ra
giải pháp định tuyến hợp lý.
Trong mạng SDN-WISE các node vận hành một bảng định
tuyến đặc biệt là WISE Flow table. Khác với bảng định tuyến
thông thường, WISE Flow table chứa Các Flow Entry, các
Flow Entry này có thể được cài đặt thêm hoặc xóa bỏ dựa vào
Controller. Trong WISE Flow table chỉ chứa thông về địa chỉ

kế tiếp trong đường định tuyến, các node chỉ có chức năng
chuyển tiếp, cịn việc thiết lập các Flow Entry sẽ được gửi tới
bới Controller. Ưu điểm của cơ chế này mang lại là các node
sẽ tiết kiệm được tài nguyên quản lý các bảng định tuyến, từ
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
tại Controller có thể dẫn tới sự mất mát thơng tin trong q
trình trao đổi thơng tin giữa Controller và các node.
III. SDN-WISE CONTROLLER: BỘ

ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH

TUYẾN CHO MẠNG

Trong phần này, chúng tơi trình bày về SDN-WISE Controller do nhóm phát triển trên hệ điều hành Contiki [12].
SDN-WISE Controller là một phần mềm điều khiển có chức
năng định tuyến cho tồn mạng. SDN-WISE Controller được
phát triển bằng ngôn ngữ Java và giao tiếp Sink node qua
kết nối Serial. Mơ hình của mạng SDN-WISE và SDN-WISE
Controller được thể hiện qua Hình 1.
Về yêu cầu chức năng, SDN-WISE Controller được thiết kế
với các chức năng đảm bảo cho việc định tuyến như sau:
• Xây dựng cây theo đường ngắn nhất (Shortest Path Tree SPT) với nút gốc là Sink, sử dụng thuật toán Dijkstra và
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 sốt q 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" (khơng 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 tốn Trickle

Hình 1. Mơ hình mạng SDN-WISE

được cập nhật mỗi khi nhận được một bản tin Report từ
mạng.
• Tự động chuyển tiếp bản tin định tuyến cho tất cả các
node trong mạng thông qua kết nối Serial với Sink node.
• Trả lời bản tin Request từ các node chưa có thơng tin
định tuyến.
• Gửi bản tin định tuyến cho một node nhất định trong
mạng.
Các thông tin về mạng sẽ được Controller quản lý qua các
Object, các Object được sử dụng đó là:
• Node object: đại diện cho các sensor node trong mạng,
mỗi Node object lại có các trường thơng tin như Neighbor
table, Battery, Distance to the Sink.
• Edge object: đại diện cho các liên kết giữa các node, mỗi
Edge object có các trường thơng tin như RSSI, Direction.
• Network object: đại diện cho thơng tin về đồ hình của
mạng, trong đó có chứa tập các Node và Edge.
Với ý tưởng quản lý mạng bằng phần mềm của cơng nghệ

SDN, Controller sẽ có thơng tin cụ thể của tồn mạng, qua đó
việc quản trị và vận hành mạng sẽ đơn giản và nhanh chóng.
Việc điều khiển q trình định tuyến và cập nhật thơng tin về
mạng có thể dễ dàng thực hiện bằng phần mềm. Mơ hình của
mạng SDN-WISE và SDN-WISE controller được thể hiện qua
Hình 1.
IV. TRICKLE TIMER: ỨNG DỤNG VÀ TRIỂN KHAI TRÊN
GIAO THỨC SDN-WISE

Một Trickle timer hoạt động theo những ’quãng’ và có ba
tham số cấu hình: minimum interval size Imin , maximum
interval Imax và redundancy constant k:
• The minimum interval size - độ dài quãng nhỏ nhất Imin ,
là khoảng thời gian ngắn nhất có thể giữa hai lần gửi bản
tin định tuyến liên tiếp. Imin được định nghĩa là một đơn
vị thời gian (e.g., miliseconds, seconds).
• The maximum interval size - độ dài quãng lớn nhất, Imax
là khoảng thời gian dài nhất có thể giữa hai lần gửi bản
tin định tuyến liên tiếp. Giá trị Imax có một ràng buộc
là
Imax = Imin × 2d
(1)
trong đó d là một số ngun lớn hơn 0, d cịn gọi là
Interval doubling
• Hằng số dư thừa, k, một số tự nhiên lớn hơn 0.
Thêm vào đó Trickle duy trì ba tham biến:
• I, độ dài quãng hiện tại với ràng buộc Imin ≤ I ≤ Imax
• t, thời điểm gửi bản tin định tuyến trong quãng hiện tại.
• c, counter - bộ đếm số bản tin trao đổi.
C. Hoạt động


NỀN

Như đã trình bày ở II-A, giao thức SDN-WISE cần một cơ
chế hợp lý để điểu khiển các bản định tuyến trao đổi trong
mạng một cách hợp lý và tối ưu nhất về tài nguyên. Trong
chương này chúng tơi sẽ trình bày ý tưởng, ứng dụng và thực
thi thuật toán Trickle [7] trong việc cải thiện giao thức SDNWISE hướng tới tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong mạng
cảm biến không dây.
A. Tổng quan về thuật toán Trickle
Ý tưởng của thuật toán Trickle [7] là hạn chế số lượng các
bản tin định tuyến trao đổi trong mạng đồng thời vẫn đảm
bảo các thông số về độ tin cậy của mạng như thời gian trễ, tỉ

214

Thuật toán Trickle tuân theo sáu bước sau:
1) Khi thuật toán được khởi tạo, giá trị I được đặt ngẫu
nhiên trong đoạn [Imin , Imax ], tức là lớn hơn hoặc bằng
Imin và nhỏ hơn hoặc bằng Imax. Thuật toán bắt đầu
"quãng" đầu tiên. Thông thường để thời gian hội tụ của
q trình định tuyến được nhanh hơn thì có thể đặt I =
Imin
2) Khi một quãng được bắt đầu, Trickle đặt c về 0 và đặt
t là một giá trị thời gian ngẫu nhiên trong nửa khoảng
[I/2, I), tức là lớn hơn hoặc bằng I/2 và nhỏ hơn I.
"Quãng" kết thúc tại thời điểm I.
3) Mỗi khi Trickle nghe thấy một tín hiệu "consistent" thì
nó sẽ tăng couter c.
4) Ở thời điểm t, Trickle gửi bản tin nếu và chỉ nếu counter

c nhỏ hơn hằng số dư thừa k.
5) Khi "quãng" I kết thúc, Trickle gấp đôi độ dài của
"quãng" I. Nếu độ dài của "quãng" mới lớn hơn giá
trị Imax thì nó sẽ được gán bằng giá trị Imax .
6) Nếu Trickle nghe thấy một sự kiện "inconsistent" và I
lớn hơn Imin , Trickle timer sẽ được reset. Trickle đặt
I về giá trị Imin và bắt đầu một "quãng" mới như ở
bước 2. Nếu I bằng Imin và Trickle nghe thấy tín hiệu


"inconsistent" thì nó sẽ khơng thực hiện gì cả. Ngồi
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 tốn.
Chúng tơi sẽ trình bày các định nghĩa này ở Phần IV-D. Hoạt
động của thuật tốn Trickle được khái qt 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 tốn Trickle cần
những sự thay đổi phù hợp. Chúng tơi 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 khơng xảy ra các sự kiện trên thì có thể xem như
mạng ở trạng thái "consistent".
• "External events" chúng tôi đưa ra là sự kiện Controller
gửi bản tin Configure để reset Trickle timer của một node
nhất định trong mạng theo ý của quản trị viên.
V. Q TRÌNH MƠ PHỎNG

VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

Để đánh giá hiệu năng của giải pháp đề xuất, chúng tơi
thực hiện q trình mơ phỏng trên công cụ mô phỏng Cooja
simulator của hệ điều hành Contiki. Cooja simulator là công
cụ mô phỏng cross-layer cho phép mơ phỏng chính xác hiệu
năng của mạng bằng cách sử dụng firmware của các thiết bị
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
lượng tiêu thụ của mạng, độ tối ưu kênh truyền, tỉ lệ mất gói
và độ trễ. Chúng tơi sẽ sử dụng một giao thức định tuyến khác
là RPL [9] để so sánh ưu, nhược điểm của giải pháp đề xuất.
A. Kịch bản mơ phỏng
Với giao thức SDN-WISE, q trình trao đổi các bản tin
định tuyến sẽ được điều khiển bởi Trickle timer như đã trình
bày ở phần IV-C. Ngồi các bản tin định tuyến gồm các bản
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
dụng là dạng lưới (grid) 4 × 3 (11 node và 1 Sink). Thời gian
thực hiện là 60 phút cho mỗi thí nghiệm.

Với giao thức RPL, Trickle timer cũng được cài đặt để kiểm
sát quá trình định tuyến. Bản tin dữ liệu từ các node gửi tới
Sink được đóng gói trong bản tin UDP. Đồ hình mạng và thời
gian thí nghiệm tương tự như giao thức SDN-WISE.
Kịch bản mô phỏng được tóm tắt trong bảng II.

Hình 2. Thuật tốn Trickle

Để đánh giá tác động của Trickle timer đến năng lượng tiêu
thụ trung bình của tồn mạng, chúng tơi đã đánh giá độ tối
ưu kênh truyền của hai giao thức theo các giá trị khác nhau
của d ở công thức 1. Các Interval doubling d được chúng
tôi đánh giá dao động từ 1 đến 8. Trickle timer trong RPL
được đưa ra với Interval doubling tiêu chuẩn là d = 8. Khi
đó giá trị "quãng" hiện tại I của Trickle timer sẽ dao động
trong đoạn [Imin, Imax].
B. Kết quả mô phỏng và đánh giá
1) Năng lượng tiêu thụ trung bình của mạng: Về năng
lượng tiêu thụ trung bình của mạng, chúng tơi sử dụng công
cụ Powertrace [11]. Powertrace là một phần mềm đo đạc năng
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
và các thơng số về dịng và áp của thiết bị có thể tính ra năng
lượng tiêu thụ trung bình theo cơng thức 2
E
= Im tm + Il tl + It tt + Ir tr +
V

Ici tci ,


(2)

i

trong đó V là hiệu điện thế cung cấp, Im và tm lần lượt là
dòng và thời gian hoạt động của MCU. Il và tl là cường độ
dòng điện và thời gian hoạt động của MCU khi ở trạng thái
tiết kiệm năng lượng (low power mode). It và tt là cường độ
dòng và thời gian của radio ở trạng thái truyền, tương tự Ir và
tr là cường độ dòng và thời gian của radio ở trạng thái nhận.
Ngoài ra Ici và tci là dòng và thời gian hoạt động của các
phần tử khác như sensor hoặc LED. Trong mô hình mơ phỏng

215


Bảng II
CÁC

THAM SỐ MÔ PHỎNG

Parameters

SDNWISE

6LowPAN/RPL

Operating System

Contiki


Contiki

Communication
protocols

Controller
Topology Discovery
In-network processing
Forwarding
CSMA
ContikiMAC RDC - 8Hz
IEEE 802.15.4 PHY

CoAP
UDP
RPL
6LowPAN adaptation
CSMA
ContikiMAC RDC - 8Hz
IEEE 802.15.4 PHY

Minimum Interval

4(seconds)

4(seconds)

Redundancy constant
k


10

10

Default Interval
doubling

8

8
Grid 4 × 3

Hình 3. Năng lượng tiêu thụ trung bình của mạng bới MCU và Radio

Topology

Grid 4 × 3

Mote type

Z1

Z1

Simulation time

60 minutes for each

60 minutes for each


của chúng tơi, các thơng số về dịng 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
tốn Trickle cho thấy có thể giảm đáng kể năng lượng tiêu
thụ của Radio ở cả hai giao thức SDN-WISE và RPL (SDNWISE-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).
2) Mức độ tối ưu hóa tài nguyên kênh truyền: Mức tối ưu
hóa tài ngun kênh truyền (channel utilization) được tính theo
cơng thức
tt
RadioT X(%) =
× 100%,
tm + tl

(3)

trong đó tt và tl tương ứng như trong công thức 2. Tỉ lệ tối
ưu về kênh truyền RadioT X đại diện cho tỉ lệ giữa thời gian
Radio ở chế độ truyền so với tổng thời gian hoạt động của
MCU. Tỉ lệ này càng nhỏ thì năng lượng tiêu thụ bởi hoạt
động của Radio càng ít.
Hình 4 cho thấy giao thức SDN-WISE-Trickle đạt được khả
năng tối ưu về kênh truyền tốt hơn giao thức RPL. Kết quả
có thể được giải thích thơng 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
vị bản tin tsend và thời gian hoàn tất việc truyền hết bản tin
tT X/strobe theo cơ chế của tại lớp MAC là ContikiMAC [10].
Để đánh giá ảnh hưởng của Trickle timer lên hai giao thức,

Hình 4. Độ tối ưu kênh truyền

chúng tôi thay đổi thông số Interval doubling của thuật toán
từ giá trị 1 đến 8. Kết quả cho thấy giao thức SDN-WISE luôn
tối ưu hơn về kênh truyền với các giá trị tham số khác nhau
của thuật toán Trickle.
3) Độ trễ và tỉ lệ mất gói: Chúng tơi đánh giá các thơng
số về end-to-end delay và end-to-end PDR, trong đó End-toend delay là trễ trung bình của các bản tin data gửi từ các
node đến Sink, End-to-end PDR là tỉ lệ số bản tin data nhận
được tại Sink trên tổng số bản tin gửi từ các node. Kết quả

Hình 5. Với ContikiMAC, các bản tin broadcast được gửi lặp đi lặp lại nhiều
lần trong một khoảng thời gian strobe time. Ví dụ np = 5 trong hình
trên, dẫn tới tT X/strobe = tsend × np = tsend × 5, trong đó tsend =
P acket length/Radio bitrate

216


Bảng III

ĐỘ

DÀI BẢN TIN ĐỊNH TUYẾN VÀ THỜI GIAN R ADIO HOÀN TẤT TRUYỀN
MỘT BẢN TIN BROADCAST

Parameters

SDN-WISE Beacon packet

RPL DIO packet

Strobe time

127.4 ms

127.4 ms

Radio bitrate

250 kbps

250 kbps

Packet length

48 bytes

102 bytes

tsend


1.536 ms

3.264 ms

np

49 packets

30 packets

tT X/strobe

75.264 ms

97.92 ms

được thể hiện qua Hình 6 và 7. Với giao thức SDN-WISE, cơ
chế chuyển tiếp của bản tin đơn giản do q trình tính tốn
định tuyến phụ thuộc vào Controller, các node chỉ có chức
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 tồn
định tuyến thì giao thức RPL cho tỉ lệ PDR cao hơn. Tương
ứng với tham số Interval doubling 1, tức là độ dài quãng
Imax = 2 × Imin , nghĩa là mật độ các bản tin trao đổi sẽ
giày hơn do đó gây ra hiệu năng toàn mạng giảm. Giá trị tiêu
chuẩn của tham số Interval doubling được đưa ra bởi giao
thức RPL là 8, ở đó hiệu năng của mạng có thể được đảm
bảo.
VI. KẾT LUẬN

Kết quả mơ phỏng cho thấy thuật tốn 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 khơng cần thiết.
TÀI LIỆU

Hình 6. Thời gian trễ đầu-cuối trung bình

[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] />[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.
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 Networks. 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: NetworkLevel 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. 455462.
[13] [Online] />[14] [Online] />
Hình 7. Tỉ lệ nhận gói đầu cuối trung bình (PDR)

217