Internet và giao thức

Nhóm 3

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
Khoa Viễn Thơng 1

----------

BÀI TIỂU LUẬN
Mơn: Internet và giao thức

Chủ đề: “Mạng cảm biến không dây WSN”

GIẢNG VIÊN: NGUYỄN TIẾN BAN
NHÓM 3
Nguyễn An Huy
Phạm Trung Đức
Nguyễn Thế Dương
Nguyễn Văn Sơn

B18DCVT195 (Nhóm trưởng)
B18DCVT115
B18DCVT075
B18DCVT350

Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2021


Internet và giao thức

Nhóm 3
MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................... 4
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................... 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY . 6
I. Mạng cảm biến khơng dây là gì? ................................................. 6
1. Khái niệm ................................................................................................... 6
2. Đặc điểm ..................................................................................................... 6

II.

Cấu trúc của một nút cảm biến không dây .............................. 8

1. Phần cứng .................................................................................................. 8
2. Phần mềm ................................................................................................ 10

III.

Quản lý năng lượng của các thiết bị..................................... 10

1. Chế độ hoạt động và năng lượng tiêu thụ ............................................. 10
2. Tiết kiệm năng lượng trong vi điều khiển ............................................ 10
3. Tiết kiệm năng lượng trong bộ nhớ....................................................... 10
4. Tiết kiệm năng lượng trong truyền nhận vô tuyến .............................. 10
5. Tiết kiệm năng lượng của cảm biến ...................................................... 11
6. Mối liên hệ giữa việc tiền xử lý và truyền-nhận dữ liệu ...................... 11

IV. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây ......................... 11

1. Cấu trúc hình sao-Star ........................................................................... 11
2. Cấu trúc cây-Tree ................................................................................... 11
3. Cấu trúc liên kết lưới-Mesh ................................................................... 12

V.

Các loại mạng cảm biến không dây ........................................ 12

1. WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks) ......................... 12
2. WSN ngầm (Underground wireless sensor networks) ........................ 12
3. WSN dưới nước (Under Water wireless sensor networks) ................. 13
4. WSN đa phương tiện (Multimedia wireless sensor networks) ........... 13
5. WSN di động (Mobile Wireless Sensor Networks) .............................. 14

VI. Những thách thức của WSN .................................................... 14
1. Chất lượng hệ thống và nhu cầu về nền tảng kiến thức ...................... 14
2. Lượng truy cập ........................................................................................ 15
3. Truyền thông thời gian thực .................................................................. 16
4. Các vấn đề bảo mật ................................................................................. 17

1


Internet và giao thức

Nhóm 3

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .............................................................. 19
I. CÁC CƠ SỞ CƠ BẢN CỦA GIAO THỨC MAC ................... 19

1. Yêu cầu về hiệu suất................................................................................ 19
2. Giao thức chung ...................................................................................... 20

II.

GIAO THỨC MAC CHO WSN .............................................. 23

1. Giao thức dựa trên lịch trình ................................................................. 23
2. Giao thức dựa trên truy cập ngẫu nhiên .............................................. 25

III.

Giao thức SENSOR-MAC ..................................................... 26

1. Tổng quan về giao thức .......................................................................... 26
2. Hoạt động nghe và ngủ định kỳ ............................................................. 26
3. Lên lịch lựa chọn và điều phối ............................................................... 27
4. Lên lịch đồng bộ hóa ............................................................................... 28
5. Lắng nghe thích ứng ............................................................................... 29
6. Kiểm sốt truy cập và trao đổi dữ liệu.................................................. 29
7. Truyền tin nhắn ....................................................................................... 30

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY .................................................................................................... 32
I. GIỚI THIỆU................................................................................ 32
II. PHÂN LOẠI .............................................................................. 32
1. Loại 1 – C1WSN:..................................................................................... 32
2. Loại 2 - C2WSN: ....................................................................................... 33

III. PHẠM VI ỨNG DỤNG.............................................................. 34

IV. VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG WSN LOẠI 1 ........................................ 34
1. Giám sát giao thông .................................................................................... 34
2. Ứng dụng quân sự ................................................................................... 36
3. Giám sát môi trường sống ...................................................................... 38

V.

VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG WSN LOẠI 2 ................................... 39

1. Ứng dụng nhà thông minh .......................................................................... 39
2. Ứng dụng Tự động hóa tịa nhà................................................................... 40
3. Ứng dụng Tự động hóa cơng nghiệp............................................................ 41
4. Ứng dụng y tế ............................................................................................. 42

CHƯƠNG 4: GIAO THỨC PHÂN CẤP ........................................ 43

2


Internet và giao thức

Nhóm 3

I. LEACH......................................................................................... 43
II. PEGASIS ................................................................................... 44
III. Giao thức dựa trên vị trí ....................................................... 46
1. GAF (Global Assessment of Functioning) ............................................ 46
2. GEAR ....................................................................................................... 47

PHẦN KẾT LUẬN............................................................................ 49

LỜI CẢM ƠN................................................................................................. 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................ 50

3


Internet và giao thức

Nhóm 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây
Hình 1.2 Nút mạng thuộc họ Mica Mote
Hình 1.3 Phần cứng của một nút cảm biến khơng dây
Hình 1.4 Các cấu trúc liên mạng của mạng cảm biến khơng dây
Hình 1.5 Mạng cảm biến khơng dây ngầm dưới lịng đất
Hình 1.6 Mạng cảm biến khơng dây dưới nước
Hình 1.7 Mạng cảm biến khơng dây đa phương tiện
Hình 1.8 Mơ hình tham chiếu chuẩn của IoT
Hình 2.1 Nút ẩn trong mạng cảm biến khơng dây
Hình 2.2 Nút tiếp xúc trong mạng cảm biến khơng dây
Hình 2.3 Lỗi tránh va chạm bằng cách sử dụng RTS / CTS
Hình 2.4 Các giao thức MAC dựa trên TDMA cho mạng cảm biến khơng dây
Hình 2.5 Các chế độ hoạt động lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ S-MAC
Hình 2.6 Lựa chọn và đồng bộ hóa lịch trình nút biên giới
Hình 2.7 Mối quan hệ thời gian giữa người nhận và nhiều người gửi
Hình 2.8 Sơ đồ tránh va chạm S-MAC
Hình 2.9 Truyền thơng điệp S-MAC
Hình 3.1 WSN loại 1: các hệ thống multipoint-to-point, multihop

Hình 3.2 WSN loại 2: các hệ thống điểm-điểm, nói chung-singlehop
Hình 3.3 Lắp đặt giao thơng đường cao tốc điển hình
Hình 3.4 Ví dụ qn sự. (Courtesy of Rockwell Scientific.)
Hình 3.5 Mơ hình triển khai WSN trong giám sát mơi trường
Hình 3.6 Mơ hình triển khai WSN trong nhà thơng minh
Hình 3.7 Điều khiển ánh sáng trong nhà
Hình 3.8 Các ứng dụng điều khiển trong cơng nghiệp
Hình 3.9 Sử dụng CodeBlue để ứng phó khẩn cấp

Hình 4.1 Mơ hình mạng LEACH
Hình 4.2 Hai trạng thái pha LEACH
Hình 4.3 Cấu trúc mạng hình chuỗi
Hình 4.4 Ví dụ về lưới ảo trong GAF
Hình 4.5 Sự chuyển trạng thái trong GAF
Hình 4.6 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR

4


Internet và giao thức

Nhóm 3

LỜI MỞ ĐẦU
Sự phát triển của internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay đã tạo điều kiện phát triển cho các
thế hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai trên quy mơ lớn và
độ chính xác cao. Cơng nghệ điều khiển và cảm biến gồm: cảm biến dây, cảm
biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến hồng ngoại...
Đặc biệt 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 cơng nghiệp….
Trong bài tiểu luận này, chúng em sẽ giới thiệu tổng quan một số nội về mạng
cảm biến không dây như nút cảm biến không dây, cấu trúc mạng cảm biến không
dây, ứng dụng mạng cảm biến không dây các giao thức định tuyến trong mạng
cảm biến khơng dây. Cùng với đó là các giao thức định tuyến trong mạng cảm
biến không dây và các vấn đề khi thiết kế giao thức định tuyến…
Nội dung tiểu luận được tổ chức như sau:
• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
• CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
• CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
• CHƯƠNG 4: GIAO THỨC PHÂN CẤP
Do thời gian thực hiện có hạn, chúng em rất mong nhận được sự giúp đỡ
cùng những ý kiến đóng góp quý báu của thầy và các bạn trong lớp để nhóm em
có thể tiếp tục hoàn thiện bài tiểu luận này. Chúng em xin cảm ơn!

5


Internet và giao thức

Nhóm 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
I.

Mạng cảm biến khơng dây là gì?
1. Khái niệm


Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSNs) là một
mạng tập hợp các thiết bị giao tiếp thông tin thu thập được từ hiện trường được
giám sát thông qua các liên kết khơng dây, sóng vơ tuyến.
WSN bao gồm các trạm gốc và các nút. Các nút thường là các cảm biến
khơng dây (wireless sensors), có thiết kế nhỏ gọn, được phân bố với số lượng lớn
trên phạm vị rộng. Các nút này được sử dụng để theo dõi các điều kiện vật lý hoặc
môi trường như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp suất, chuyển động hoặc các
chất ô nhiễm và hợp tác truyền dữ liệu của chúng qua mạng tới trạm thu phát
(Sink) hoặc trạm gốc nơi dữ liệu có thể được quan sát và phân tích.
Một Sink hoặc trạm gốc hoạt động giống như một giao diện giữa người
dùng và mạng. Có thể lấy thơng tin cần thiết từ mạng bằng cách đưa vào các
truy vấn và thu thập kết quả từ Sink.
2. Đặc điểm
a. Kích thước vật lý nhỏ gọn

Kích thước và cơng suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và
tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến
phải chú trọng đến giảm kích cỡ và cơng suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về
khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại
các hạn chế của phần cứng.
b. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận
chuyển các dịng thơng tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận
lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính
tốn rất kỹ về khối lượng cơng việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào
hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp
ứng tính năng thời gian thực. Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc
đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.

c. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến khơng dây cũng như sự tinh vi của
liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn
nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành
(actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip
đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất). Ngược lại, các hệ thống thông thường, với
các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều
mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.
d. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng
dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì

6


Internet và giao thức

Nhóm 3

có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết
bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập
hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này
cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử
dụng phần cứng cao. Mơi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng
dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà khơng cần giao diện phức
tạp. Ngồi ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm
trong khả năng công nghệ.
e. Hoạt động tin cậy


Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một
ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm
tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công
suất. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng
ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục
được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút
đơn khơng những mạnh mẽ mà cịn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin
cậy.
f. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm
biến. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính tốn về định tuyến và năng lượng, kết
hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua
môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao
thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp
mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer),
mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động
(Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).
Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây
dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dịng số liệu khi các ứng
dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được
cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động
được, giao thức MAC phải được tính tốn về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong
việc phát quảng bá với các nút lân cận.

Hình 1.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

7



Internet và giao thức
II.

Nhóm 3

Cấu trúc của một nút cảm biến khơng dây
1. Phần cứng

Hình 1.2 Nút mạng thuộc họ Mica Mote

Vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong nút mạng cảm nhận không dây, thực
hiện thu thập dữ liệu từ các nút, sau đó xử lý trước khi gửi đi, và nhận dữ liệu từ các nút
khác. Nguyên nhân nó được lựa chọn trong các hệ thống nhúng là mềm dẻo trong kết
nối với các thiết bị khác như thiết bị cảm biến, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng
chuyển sang chế độ ngủ khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động, hơn nữa
thường có bộ nhớ tích hợp ngay trên bộ vi xử lý. Một đặc điểm rất được người lập trình
u thích là khả năng lập trình bằng ngơn ngữ bậc cao (C, C++).
Bởi vậy khi xây dựng nút mạng việc xem xét hiệu suất của vi xử lý, hiệu quả
năng lượng và giá thành là rất quan trọng.

8


Internet và giao thức

Nhóm 3

a. Bộ nhớ
Được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu từ các nút cảm biến, hoặc gói dữ liệu từ các
nút khác, có 2 loại kiến trúc bộ nhớ là: kiến trúc Havard và kiến trúc Von Newman,

điểm khác nhau của 2 kiến trúc này là trong kiến trúc Havard thì bộ nhớ dữ liệu và
chương trình tách biệt nhau khi đó dữ liệu thường được chứa trong RAM cịn chương
trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH, còn trong kiến trúc Von Newman thì
dữ liệu và chương trình được lưu cùng với nhau, thường là trên RAM, nhược điểm của
nó là dữ liệu sẽ bị mất khi tắt nguồn, bởi vậy chương trình hoặc hệ điều hành thường
được lưu trữ trên ROM, EEPROM, hoặc bộ nhớ flash (gần tương tự như EEPROM).
Yêu cầu kích thước bộ nhớ và năng lượng tiêu thụ tương ứng với yêu cầu về dữ liệu của
ứng dụng của nút mạng.
b. Thiết bị giao tiếp
Là thiết bị được sử dụng để trao đổi dữ liệu giữa các nút đơn với nhau, trong đó
mơi trường khơng dây là được ưa dùng hơn cả, đó có thể là sóng vơ tuyến, truyền thơng
quang, sóng siêu âm, từ trường cũng được sử dụng trong một vài ứng dụng đặc biệt.
Trong đó sóng vô tuyến cung cấp dải thông lớn với tốc độ dữ liệu cao là phù hợp nhất
cho hầu hết các ứng dụng của mạng khơng dây. Trong đó các nút yêu cầu cả chức năng
nhận và truyền dữ liệu (điều chế, giải điều chế, khuếch đại, lọc, trộn ...) sau đó chuyển
luồng bit, byte hoặc khung thành sóng vơ tuyến, thông thường 2 thiết bị này thường
được kết hợp thành một thiết bị duy nhất, bởi vậy thường thì tại một thời điểm không
thể thực hiện đồng thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, mà truyền và nhận sẽ được luân
phiên nhau được điều khiển bởi hệ điều hành nhúng.
Khi lựa chọn thiết bị truyền nhận cần lưu ý vài đặc điểm sau:
• Khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC), cho phép lớp này điều khiển gói dữ
liệu
• Tiết kiệm năng lượng và sử dụng năng lượng hiệu quả do năng lượng tiêu thụ
nhiều nhất trong nút mạng là do việc truyền nhận vơ tuyến.
• Tần số sóng mang và đa kênh truyền trong truyền nhận phải phù hợp với yêu
cầu của ứng dụng.
• Tốc độ dữ liệu tương ứng với tần số sóng mang và băng tần cùng với việc
điều chế và mã hóa dữ liệu, tốc độ này có thể thay đổi bằng điều chế hoặc
thay đổi tốc độ của ký tự.
• Điều chế và mã hóa

c. Cảm biến
Có rất nhiều loại cảm biến, tùy vào loại ứng dụng trong mạng cảm nhận mà ta có
các cảm biến tương ứng, thường là dựa vào kiểu hoạt động của cảm biến, tích cực- thụ
động, phạm vi giám sát ... năng lượng tiêu thụ, giá thành và kích thước. Thường thì việc
lựa chọn cảm biến khơng phức tạp như bộ nhớ và vi xử lý.
d. Nguồn nuôi
Là thành phần cốt yếu của mạng cảm nhận, trong đó 2 vấn đề cần quan tâm là
khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng, và khả năng thay thế nguồn. Thường thì nguồn
ở đây thường là pin, và khả năng thay thế trong nút mạng là khơng thế do địa hình triển
khai và số nút mạng lớn, do vậy phải chọn nguồn ổn định có khả năng hoạt động phù
hợp với yêu cầu của ứng dụng và môi trường hoạt động.

9


Internet và giao thức

Nhóm 3

2. Phần mềm
Hệ điều hành nhúng, điều khiển và bảo vệ truy cập tài nguyên và quản lý cho
phép người dùng cũng như hỗ trợ thi hành xử lý và giao tiếp giữa các quá trình. Tuy
nhiên chức năng chủ yếu là thi hành lệnh, bởi vậy hệ thống không yêu cầu quá nhiều tài
nguyên để hỗ trợ như một hệ điều hành hoàn thiện.
Hơn nữa hệ điều hành cho mạng cảm nhận khơng dây cịn có thể hỗ trợ những
tùy chọn cho hê thống, điển hình là quản lý sử dụng năng lượng hiệu quả, quản lý và
điều khiển các thành phần ngoại vi: cảm biến, thiết bị vô tuyến, định thời. Bởi vậy yêu
cầu cho hệ điều hành cho mạng nhúng là cấu trúc đơn giản và hỗ trợ quản lý năng lượng
mà không tốn nhiều tài nguyên hệ thống như bộ nhớ và thời gian xử lý.
III. Quản lý năng lượng của các thiết bị

1. Chế độ hoạt động và năng lượng tiêu thụ
Năng lượng trong mạng cảm biến không dây là vấn đề đặc biệt quan trọng bởi
vậy điều khiển tiết kiệm năng lượng là vấn đề rất được quan tâm, năng lượng tiêu thụ
chủ yếu trong hoạt động vi điều khiển, thiết bị vô tuyến, và một phần trong bộ nhớ và
phụ thuộc vào kiểu của cảm biến. Chế độ hoạt động của các thành phần của nút mạng
trong chế độ tiết kiệm năng lượng là rất được quan tâm trong xây dựng nút mạng, ví dụ
với vi điều khiển là chế độ “rỗi” hay “ngủ”, với thiết bị vô tuyến truyền nhận là bật hay
tắt chế độ truyền, cảm biến hay bộ nhớ có thể bật hay tắt.
2. Tiết kiệm năng lượng trong vi điều khiển
Phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ chế tạo của nhà sản xuất và chương trình ứng
dụng chạy trên vi điều khiển, bao gồm điều khiển chế độ hoạt động và tốc độ xử lý của
vi điều khiển tương ứng với yêu cầu dữ liệu cần xử lý, thuật toán xử lý của ứng dụng
cũng giảm được đáng kể số phép toán cần thực hiện.
3. Tiết kiệm năng lượng trong bộ nhớ
Bộ nhớ phổ biến trong mạng cảm nhận thường là Flash hoặc RAM, trên thực tế
năng lượng tiêu thụ trên bộ nhớ tương ứng với năng lượng tiêu thụ trên vi điều khiển.
Thời gian đọc dữ liệu và năng lượng tiêu thụ tương ứng với loại bộ nhớ, thời gian ghi
và năng lượng tiêu thụ lúc ghi thì phức tạp hơn một chút vì nó cịn phụ thuộc vào loại
dữ liệu.
4. Tiết kiệm năng lượng trong truyền nhận vô tuyến
Đây là hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong mạng cảm biến. Tương tự
như vi điều khiển, truyền nhận vơ tuyến cũng có thể hoạt động ở những chế độ khác
nhau (bật – tắt) chế độ tắt có thể chiếm đa số thời gian, chỉ hoạt động khi được kích hoạt
do vậy tiết kiệm đáng kể năng lượng.
Trong chế độ truyền một phần năng lượng được sử dụng để phát sóng vơ tuyến,
nó phụ thuộc chủ yếu vào loại điều chế, khoảng cách truyền, kĩ thuật lọc, đồng bộ tần
số.
Tương tự như chế độ truyền, chế độ nhận cũng có thể chuyển giữa 2 trạng thái
tắt-bật, thường thì chế độ truyền và nhận được sử dụng đan xen nhau, ví dụ trong thí
nghiệm của khóa luận này truyền và nhận được luân phiên nhau, với trạm cơ sở thì chế

độ chủ yếu là nhận, còn chế độ truyền chỉ hoạt động khi yêu cầu thủ tục xây dựng lại
tuyến hoặc trong thủ tục yêu cầu nhận dữ liệu từ nút cơ sở.

10


Internet và giao thức

Nhóm 3

5. Tiết kiệm năng lượng của cảm biến
Đây là vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong tiết kiệm năng lượng của mạng
không dây bởi sự đa dạng của thiết bị này, việc lựa chọn cảm biến, giao diện kết nối.
6. Mối liên hệ giữa việc tiền xử lý và truyền-nhận dữ liệu
Sau khi đã có cái nhìn khái qt về năng lượng tiêu thụ trên vi xử lý và truyền
nhận dữ liệu thì câu hỏi đặt ra là: kết hợp giữa việc xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu như
thế nào để tiết kiệm năng lượng nhất? Ví dụ: dữ liệu mà ta nhận được tại mỗi nút mạng
thường ở dạng thô, nếu ta gửi dữ liệu này về trạm gốc mà không xử lý trước thì kích
thước dữ liệu này rất lớn, như vậy sẽ kéo theo một loạt các nút khác cũng phải truyền –
nhận một lượng dữ liệu lớn dẫn tới tiêu tốn rất nhiều nút này. Kết quả là năng lượng tiêu
thụ khi truyền dữ liệu chưa xử lý sẽ lớn hơn rất nhiều năng lượng mà nút sử dụng để xử
lý dữ liệu thô trước khi truyền đi. Việc lựa chọn có xử lý dữ liệu thơ trước khi truyền đi
hay không thường dựa trên loại ứng dụng (loại dữ liệu), và kích thước mạng, phương
pháp tiền xử lý thường được sử dụng trong các mạng có kích thước lớn.
IV.

Cấu trúc liên kết mạng cảm biến không dây

Cấu trúc của mạng cảm biến không dây bao gồm các cấu trúc liên kết khác
nhau cho mạng truyền thông vô tuyến. Dưới đây là một cuộc thảo luận ngắn về cấu

trúc liên kết mạng áp dụng cho mạng cảm biến khơng dây:

Hình 1.4 Các cấu trúc liên mạng của mạng cảm biến khơng dây
1. Cấu trúc hình sao-Star
Cấu trúc liên kết hình sao là một cấu trúc liên kết truyền thơng, trong đó mỗi nút
kết nối trực tiếp với trạm gốc. Trạm gốc duy nhất có thể gửi hoặc nhận tin nhắn đến một
số nút từ xa. Các nút không được phép gửi thơng báo cho nhau.
• Ưu điểm
Tính đơn giản, khả năng giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từ xa ở mức tối thiểu.
Nó cũng cho phép thơng tin liên lạc có độ trễ thấp giữa nút từ xa và trạm gốc.
• Nhược điểm
Trạm gốc phải nằm trong phạm vi truyền dẫn vô tuyến của tất cả các nút riêng
lẻ và khả năng mở rộng không bằng các mạng khác do sự phụ thuộc của nó vào một
trạm gốc để quản lý mạng.
2. Cấu trúc cây-Tree
Cấu trúc liên kết cây còn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao nhiều tầng. Trong
cấu trúc liên kết cây, mỗi nút kết nối với một nút được đặt cao hơn trong cây, sau đó
gateway.

11


Internet và giao thức

Nhóm 3

Ưu điểm
Có thể dễ dàng mở rộng mạng và việc phát hiện lỗi cũng trở nên dễ dàng.
• Nhược điểm
Phụ thuộc rất nhiều vào cáp bus, nếu nó bị hỏng, tất cả mạng sẽ sụp đổ.

3. Cấu trúc liên kết lưới-Mesh
•

Các cấu trúc liên kết Mesh cho phép truyền dữ liệu từ nút này sang nút khác, nằm
trong phạm vi truyền dẫn vơ tuyến của nó. Điều này cho phép cái được gọi là truyền
thông đa bước, nghĩa là, nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm
ngoài phạm vi liên lạc vơ tuyến, nó có thể sử dụng một nút trung gian để chuyển tiếp
thơng điệp đến nút mong muốn.
• Ưu điểm
Có lợi thế về khả năng dự phịng và khả năng mở rộng. Nếu một nút riêng lẻ bị
lỗi, một nút từ xa vẫn có thể giao tiếp với bất kỳ nút nào khác trong phạm vi của nó, do
đó, có thể chuyển tiếp thơng điệp đến vị trí mong muốn. Ngồi ra, phạm vi của mạng
khơng nhất thiết bị giới hạn bởi phạm vi giữa các nút đơn lẻ; nó chỉ có thể được mở rộng
bằng cách thêm nhiều nút hơn vào hệ thống.
• Nhược điểm
Tiêu thụ năng lượng cho các nút triển khai truyền thông đa bước thường cao hơn
so với các nút khơng có khả năng này, thường làm hạn chế tuổi thọ pin. Ngoài ra, khi số
lượng các bước truyền thơng tin đến đích tăng lên, thời gian để gửi thơng điệp cũng tăng
lên. Chi phí đầu tư mạng lưới lớn và đòi hỏi vốn đầu tư nhiều.
V.
Các loại mạng cảm biến không dây
Tùy thuộc vào môi trường, các loại mạng được quyết định để chúng có thể được
triển khai dưới nước, dưới lịng đất, trên cạn,… Các loại WSN khác nhau bao gồm:
1. WSN trên cạn (Terrestrial wireless sensor networks)
Các WSN trên mặt đất có khả năng giao tiếp các trạm gốc một cách hiệu quả và
bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nút cảm biến không dây được triển khai theo cách
phi cấu trúc hoặc có cấu trúc (được lên kế hoạch trước). Trong WSN này, nguồn pin bị
hạn chế; tuy nhiên, pin được trang bị pin mặt trời như một nguồn năng lượng thứ cấp.
2. WSN ngầm (Underground wireless sensor networks)
Mạng cảm biến không dây ngầm đắt hơn mạng WSN trên mặt đất về mặt triển

khai, bảo trì. Mạng WSNs bao gồm một số nút cảm biến được ẩn trong lòng đất để theo
dõi các điều kiện dưới lòng đất. Để chuyển tiếp thông tin từ các nút cảm biến đến trạm
gốc, các nút chìm bổ sung được đặt trên mặt đất.

Hình 1.5 Mạng cảm biến khơng dây ngầm dưới lịng đất

12


Internet và giao thức

Nhóm 3

Các mạng cảm biến không dây ngầm được triển khai trong lịng đất rất khó để
sạc pin lại. Thêm vào đó, mơi trường ngầm khiến giao tiếp không dây trở thành một
thách thức do mức độ suy giảm và mất tín hiệu cao.
3. WSN dưới nước (Under Water wireless sensor networks)
Hơn 70% diện tích trái đất là nước. Các mạng này bao gồm một số nút cảm biến
và các phương tiện được triển khai dưới nước. Các phương tiện tự hành dưới nước được
sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến này. Một thách thức của liên lạc dưới
nước là độ trễ truyền dài, băng thơng và cảm biến bị lỗi.

Hình 1.6 Mạng cảm biến không dây dưới nước
Ở dưới nước, WSN được trang bị một loại pin hạn chế không thể sạc lại hoặc
thay thế. Vấn đề bảo tồn năng lượng cho các WSN dưới nước liên quan đến sự phát triển
của các kỹ thuật mạng và truyền thông dưới nước.
4. WSN đa phương tiện (Multimedia wireless sensor networks)
Mạng cảm biến không dây đa phương tiện đã được đề xuất để cho phép theo dõi
và giám sát các sự kiện dưới dạng đa phương tiện, chẳng hạn như hình ảnh, video và âm
thanh. Các mạng này bao gồm các nút cảm biến chi phí thấp được trang bị micro và máy

ảnh. Các nút này được kết nối với nhau qua kết nối không dây để nén dữ liệu, truy xuất
dữ liệu và tương quan.

Hình 1.7 Mạng cảm biến khơng dây đa phương tiện

13


Internet và giao thức

Nhóm 3

Những thách thức với WSN đa phương tiện là tiêu thụ năng lượng cao, yêu cầu
băng thông cao, xử lý dữ liệu và kỹ thuật nén. Ngồi ra, nội dung đa phương tiện u
cầu băng thơng cao để nội dung được truyền tải đúng cách và dễ dàng.
5. WSN di động (Mobile Wireless Sensor Networks)
Các mạng này bao gồm một tập hợp các nút cảm biến có thể tự di chuyển và có
thể tương tác với môi trường vật lý. MWSN linh hoạt hơn nhiều so với WSN tĩnh vì các
nút cảm biến có thể được triển khai trong bất kỳ tình huống nào và đối phó với những
thay đổi cấu trúc liên kết nhanh chóng ... Ưu điểm của MWSN so với mạng cảm biến
không dây tĩnh bao gồm phạm vi phủ sóng tốt hơn và được cải thiện, hiệu quả năng
lượng tốt hơn, dung lượng kênh vượt trội, v.v.
VI.

Những thách thức của WSN
1. Chất lượng hệ thống và nhu cầu về nền tảng kiến thức

Đối với mạng cảm biến không dây, vấn đề trở nên phức tạp hơn khi quy mô của
hệ thống được gia tăng. Những vấn đề gặp phải với mạng Internet vẫn đúng với IoT
nhưng phức tạp hơn rất nhiều. Một số thách thức có thể kể đến như:

• Phạm vi hoạt động của domain: Internet ngày càng thâm nhập sâu hơn vào
cuộc sống con người thông qua dịch vụ của IoT, khơng chỉ thơng qua các ứng
dụng mới mà cịn qua các cơng nghệ truyền thơng (ICT). Điển hình là thẻ
RFID có thể kiểm sốt chuỗi giá trị đến từng mặt hàng trên tồn cầu.
• Mơ hình kinh doanh: nền tảng Web 2.0 đã dẫn đến sự đa dạng hóa và phương
thức kinh doanh mới, xu hướng này sẽ còn phát triển mạnh hơn khi IoT trở
thành một phần của Internet trong tương lai.
• Sở hữu tài nguyên: cơ sở của Internet hiện tại là sở hữu và độc quyền sử dụng
tài nguyên, tuy nhiên với IoT thì mọi thứ sẽ hồn tồn khác. Nhiều hệ thống
phức tạp, ví dụ như mạng cảm biến tồn thành phố, sẽ khơng chỉ được sở hữu
bởi một người hay nhóm người, và sự ảnh hưởng của các nhóm phi sở hữu
cũng sẽ tăng lên.
• Phạm vi đối tượng liên quan: số lượng các đối tượng được cảm nhận, theo
dõi và điều khiển thông qua mạng IoT sẽ tăng lên nhiều lần. Các đối tượng
có thể là các vật thể ở thế giới micro - nano như vi khuẩn, nanobots, … cho
tới những vật thể ở thế giới vĩ mơ như các hành tinh.
• Thời gian và độ tin cậy: IoT sẽ được áp dụng tới các khu vực mà điều khiển
thời gian thực với độ chính xác cao là bắt buộc (nhà máy, trạm không lưu,
…) hay ở các ứng dụng giám sát nơi mà kết quả được thu thập cứ mỗi vài
giây hay thậm chí là vài phút.
Quy mơ của những thách thức kể trên sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề phức tạp khác
trong hệ thống IoT và điều này dẫn đến mối quan tâm và thúc đẩy sự tham gia của nhiều
lĩnh vực khác nhau. Những nhà thiết kế hệ thống IoT sẽ gặp phải những yêu cầu đa dạng
và khắt khe từ người dùng, đồng thời sẽ có nhiều hơn một lời giải đáp cho cùng một vấn
đề từ những nhóm thiết kế khác nhau. Các nền tảng khác nhau sẽ khiến cho việc
điều hành không đồng nhất, tăng chi phí khi liên kết giữa các khu vực với nhau. Việc

14



Internet và giao thức

Nhóm 3

này ảnh hưởng rất lớn đến chi phí đầu tư và vận hành của hệ thống, ảnh hưởng xấu đến
tính khả thi của việc triển khai các hệ thống IoT. Vấn đề này không thể nào tự nó giải
quyết, cái ta cần là sự thống nhất về nền tảng kiến trúc và sự nâng cấp của các module
hệ thống sau mỗi lần triển khai. Một bản tham chiếu chuẩn và tư vấn cấp cao có lẽ sẽ
giúp giải quyết vấn đề chất lượng, đồng thời tránh được khác biệt về cấu trúc giữa các
mơ-đun.

Hình 1.8 Mơ hình tham chiếu chuẩn của IoT
2. Lượng truy cập
Việc cài đặt các thiết bị cảm biến của mạng không dây sẽ tăng nhanh trong những
năm tới do nhu cầu của việc giám sát tồn diện (ví dụ: quy trình trong nhà máy hay vận
tải). Theo ABI Research, trong 10 năm tới sẽ có 50 tỉ thiết bị được lắp đặt mới, và việc
vận hành số thiết bị đó sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề:
a. Xử lý dữ liệu
Lượng dữ liệu được tạo ra từ mạng cảm biến không dây có thể tăng từ mức EiB
(10246 bytes) lên mức ZiB (10247 bytes). Theo số liệu của IDC, năm 2009 lượng dữ
liệu toàn cầu là 0.8 ZiB nhưng sẽ tăng lên 35 ZiB vào năm 2020. Phần lớn dữ liệu sẽ
đến từ các nút cảm biến hơn là do con người. Vấn đề lưu trữ, truyền tải và thời gian xử
lý sẽ trở thành những vấn đề chưa từng thấy của những người làm kĩ thuật.
b. Trí tuệ nhân tạo và tự thích nghi
Vận hành cơ sở vật chất ln cần đến sự an tồn, tiết kiệm năng lượng, tính
hiệu quả và tiện lợi. Hiện nay quyết định điều hành từ con người được đưa ra sau khi
thu thập và xử lý dữ liệu. Tuy nhiên, trong tương lai hình thức này sẽ khơng cịn phù
hợp nữa. Khi đó, trí tuệ nhân tạo sẽ đảm nhiệm vai trò phản hồi khi có bất cứ sự thay
đổi nào xảy ra. Các vấn đề phải được xử lý theo thời gian thực, phản hồi được hệ
thống đưa ra dựa trên dữ liệu thu thập được. Việc đó yêu cầu nền tảng điều khiển phải

rất tốt để đảm bảo độ an toàn và tin cậy của hệ thống.
c. Truy cập đồng thời
Khi càng có nhiều thiết bị trong mạng, độ trễ của mỗi thiết bị khi điều khiển cũng
sẽ tăng lên. Với công nghệ hiện tại, việc điều khiển dưới 100 thiết bị ở lưới điện sẽ cho
độ trễ dưới 2ms, nhưng khi quy mơ mạng tăng lên thì u cầu sẽ trở nên khắt khe hơn
rất nhiều. Một số điểm yếu của công nghệ hiện tại có thể kể đến như sau:

15


Internet và giao thức

Nhóm 3

• Cơng nghệ truy cập theo thời gian, dự trữ lưu lượng, phân bổ tài nguyên,…
để đảm bảo độ tin cậy trong truyền thông cũng đồng thời khiến cho mạng
khơng được sử dụng hết khả năng.
• Truy cập tranh chấp đến từ nhiều nguồn khác nhau sẽ khiến cho hiệu suất của
mạng giảm đi.
Hai công nghệ giao tiếp mới đã được đưa ra để giải quyết các vấn đề trên, thứ
nhất là giao tiếp không dây dựa trên nền tảng Bluetooth dành cho cảm biến và bộ chấp
hành (WISA), thứ hai là mạng không dây dựa trên nền tảng IEEE 802.11 dành cho công
nghiệp tự động.
d. Kĩ thuật chia tần số
Công nghệ Bluetooth hiện nay vận hành trong khoảng 2400 MHz đến 2483.5
MHz, có 79 kênh và trao đổi dữ liệu trong khoảng cách ngắn. Bluetooth có thể được sử
dụng ở lớp vật lý để đáp ứng các yêu cầu lưu lượng cao. Bên cạnh đó, lớp MAC (Media
Access Control) cũng được thiết kế để hỗ trợ truy cập theo phiên (TDMA), chia tần
(FDM) và nhảy tần (FH). Thơng qua sóng cao tần, ta cịn có thể cấp năng lượng cho hệ
thống.

e. Truy cập với hệ thống anten phân bố rộng
IEEE 802.11 là tập các chuẩn của lớp MAC và lớp vật lý cho phép giao tiếp
WLAN ở các dải tần 2.4 GHz, 3.6 GHz, 5 GHz và 60 GHz. Hai công nghệ dựa trên nền
tảng đó là giao tiếp PHY và MAC dựa trên FDM/TDMA thích hợp với giao tiếp khoảng
cách xa. Bên cạnh đó, bằng các phương pháp quy hoạch tài nguyên, tập hợp dữ liệu, tập
hợp gói và tối ưu hiệu năng, độ trễ tín hiệu có thể được giảm xuống 10 ms.
3. Truyền thông thời gian thực
Mạng cảm biến truyền thống chỉ có chức năng cảm nhận, thu thập và xử lý thơng
tin đối tượng trong vùng được phủ sóng rồi sau đó chuyển cho các phân tích tiếp sau.
Mạng cảm biến truyền thống tập trung vào việc nâng cao chất lượng mạng và giảm năng
lượng tiêu thụ. Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của hệ thống cơ sở hạ tầng
trong các thành phố thơng minh, phạm vi phủ sóng trở nên rất lớn dẫn đến thời gian
truyền dẫn dần giảm đi. Ví dụ: hệ thống kiểm sốt giao thơng trong thành phố cần thu
thập thông tin về lưu lượng xe cộ của cả một khu vực rất lớn và truyền về trung tâm điều
khiển. Sau đó trung tâm sẽ tính tốn, đưa ra quyết định và truyền lại về cho các nút giao
thơng. Q trình này cần được hồn thành trong vài giây, đưa ra yêu cầu mới cho hệ
thống mạng cảm biến không dây.
Một số công nghệ mạng có thể được dùng để xây dựng mạng cảm biến không
dây diện rộng (Ethernet, WLAN, mạng di động,…). Mạng dây cáp có tốc độ từ 100 cho
tới 1000 Mbps và có độ trễ vài mili giây, tốc độ của mạng không dây dựa trên nền tảng
IEEE 802.11 hay IEEE 802.15.4 có thể từ 250 kbps tới 72.2 Mbps, và độ trễ trong
khoảng vài trăm mili giây tới vài phút. Sự phát triển của công nghệ mạng, đặc biệt là
MIMO (multiple input multiple output) hay công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao (OFDM) giúp tăng hiệu năng truyền thông một cách đáng kể. Nhiều nghiên
cứu về mạng cảm biến thời gian thực trong khu vực rộng là một vấn đề đang được quan
tâm đặc biệt, và giải pháp cho chúng có thể được chia ra thành hai loại.

16



Internet và giao thức

Nhóm 3

a. Giải pháp phân tán
Phương pháp này chia quá trình truyền dữ liệu thành nhiều mức dựa theo yêu
cầu. Mỗi phần của mạng sẽ đảm nhận các vai trị truyền thơng khác nhau dựa trên điều
kiện hoạt động của mạng. Giải pháp này có độ linh hoạt cao, mỗi phần hoạt động độc
lập không gây ảnh hưởng đến tồn hệ thống. Mơ hình này cũng giống với mạng Internet
hiện nay nên có thể dễ dàng thích nghi và phát triển.
b. Giải pháp tập trung
Giải pháp này quản lý các mạng phân tán một cách thống nhất. Để đáp ứng các
yêu cầu về độ trễ, lưu lượng truyền thông, độ tin cậy,… Giải pháp này dự trữ tài nguyên
và đặt ra lịch trình kết hợp giữa các miền mạng khác nhau, đảm bảo các yêu cầu đề ra.
Giải pháp tập trung ưu việt hơn ở chỗ nó có thể tối ưu tiến trình truyền tin với hiệu năng
tốt hơn. Tuy nhiên, giải pháp này tương đối phức tạp nên nó mới chỉ được ứng dụng ở
một số mạng có độ riêng tư cao.
4. Các vấn đề bảo mật
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây tập trung vào bảo mật bản thân dữ liệu
và kết nối mạng giữa các nút cảm biến. Đối với dữ liệu nội bộ, một số tiêu chí cần được
đảm bảo bao gồm tính tồn vẹn (data integrity), tính bí mật (data confidentiality), tính
sẵn sàng (data availability), tính xác thực (data authentication) và tính liên tục của dữ
liệu (data freshness). Tính tồn vẹn dữ liệu nói đến việc các gói dữ liệu nhận được phải
giống với gói dữ liệu được gửi đi từ nút mạng, khơng bị thay thế bởi một gói tin nào
khác. Nhờ tính bí mật, dữ liệu được bảo vệ để chỉ có thể đọc bởi người nhận xác định.
Các thuật tốn mã hóa có ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực này. Các dịch vụ mạng cũng
luôn phải sẵn sàng cho việc truyền nhận dữ liệu, kể cả khi bị tấn cơng từ chối dịch
(DOS). Trong khi đó, tính xác thực đảm bảo dữ liệu không bị thay đổi trong q trình
truyền. Các thuật tốn đối xứng hay phi đối xứng có thể được áp dụng giữa các nút
truyền và nhận. Tính liên tục của dữ liệu rất quan trọng trong mạng cảm biến khơng dây.

Kẻ tấn cơng có thể gửi lặp lại một gói tin đã hết hạn để làm tiêu tốn tài nguyên của mạng.
Tính liên tục bảo đảm dữ liệu nhận được là mới và không bị lặp lại thông qua các cơ chế
dấu ấn thời gian.
Bên cạnh đó, cũng cần có giải pháp để bảo vệ truy cập tới các kênh giao tiếp (hay
media access control) và vị trí các nút cảm biến cũng cần được che giấu. Các nút mạng
cần được an toàn trước những đợt tấn công tiêu thụ tài nguyên, tấn công từ chối dịch vụ
hay chiếm quyền điều khiển các nút. Tấn cơng mạng đơn lẻ có thể tạo nên một lỗ hổng
lớn trong hệ thống nếu không được giải quyết kịp thời, do đó việc thiết kế mạng cảm
biến khơng dây cần có chức năng bảo mật ngay từ đầu chứ khơng thể tính đến nó như
là một chi tiết phụ cho cả hệ thống.
Tấn cơng đối với WSN có thể xảy ra ở nhiều lớp, từ lớp vật lý (physical layer)
cho đến lớp vận chuyển (transport layer) nếu tính theo mơ hình OSI. Ở tầng vật lý, các
thiết bị có thể bị tấn cơng thơng qua sóng vơ tuyến hay do can thiệp trực tiếp. Phương
pháp phòng thủ thường thấy là sử dụng giao tiếp đa tần và phân tán mã. Ở lớp 2 (data
link layer), tấn công đụng độ (collision attack) diễn ra khi sự truyền dữ liệu từ hai nút
diễn ra đồng thời tại cùng một tần số, nếu lặp lại nhiều lần nó sẽ trở thành tấn cơng tồn
diện vào tài ngun của nút mạng. Ở lớp mạng (network layer), tấn công chuyển tiếp

17


Internet và giao thức

Nhóm 3

chọn lọc (selective forwarding) trong đó các gói dữ liệu sẽ đi theo đường truyền sai.
Ngồi ra cịn có các dạng tấn cơng chủ yếu tập trung vào việc khiến cho các nút mạng
nhầm lẫn về đối tượng trong mạng như tấn công Sybil, tấn công gói dữ liệu khởi tạo.
Cuối cùng ở lớp vận chuyển có hai dạng tấn cơng chủ yếu là tấn cơng từ chối dịch vụ
(flooding attack) và ngăn đồng bộ (desynchronization).

Trước các tấn công như trên, một số phương pháp áp dụng bảo mật trong mạng
cảm biến khơng dây có thể kể đến, bao gồm:
a. Quản lý khóa
Quản lý khóa là một lĩnh vực được chú trọng trong WSN. Việc quản lý khóa bao
gồm khởi tạo, phân phát, xác thực, nâng cấp lưu trữ, phục hồi và phá hủy khóa. Cơ chế
quản lý khóa hiệu quả cũng là nền tảng cho các cơ chế bảo mật khác như bảo mật đường
truyền, bảo mật vị trí và tập hợp dữ liệu. Kịch bản quản lý khóa thường thấy có thể kể
đến như quản lý khóa tồn bộ, quản lý khóa ngẫu nhiên, quản lý theo khu vực, quản lý
khóa theo nhóm và quản lý khóa cơng khai. Tuy thế, đặc tính của hệ thống mạng lại
khiến cho việc chia sẻ khóa một cách bí mật giữa các nút mạng trở nên khó khăn.
b. Quản lý đường truyền
Do WSN sử dụng kĩ thuật định tuyến gián tiếp đa điểm và tự tổ chức trong liên
kết mạng, mỗi nút cần có sự thiết lập và bảo trì định tuyến. Quyết định được đưa ra trong
việc lựa chọn đường truyền giữa các nút mạng chính là nền tảng cho giao thức truyền
tin an toàn. Nhiều nền tảng truyền tin an toàn đã được đưa ra cho WSN, bao gồm truyền
tin theo nền phẳng, theo cấu trúc thứ bậc và theo khu vực. Phương pháp trong giao thức
dựa trên các thơng tin phản hồi, thuật tốn mã hóa và cấu trúc thứ bậc. Các giao thức an
tồn khác nhau có thể giải quyết các dạng tấn công khác nhau. Tuy nhiên, đa số các
phương pháp truyền tin an toàn hiện nay đều định các nút mạng là cố định, nên cần có
giao thức an tồn tiên tiến để thỏa mãn nhu cầu ứng dụng di động.
c. Quản lý nguồn cấp năng lượng
Mỗi nút cảm biến đều đồng thời đóng nhiều vai trị: từ thu thập dữ liệu, xử lý và
truyền tin. Mục đích của mạng là có khả năng làm việc lâu nhất có thể để truyền dữ liệu
liên tục đến các nút thu thập. Tuy thế, các nút mạng phải tham gia vào mạng càng ít càng
tốt để tiết kiệm năng lượng. Hai vấn đề đối lập này dễ dẫn đến các cuộc tấn công vào
nguồn cấp của nút cảm biến. Những kẻ tấn công bằng cách này hay cách khác có thể
khiến các nút mạng hoạt động liên tục, qua đó làm tiêu hao năng lượng và khiến cho hệ
thống bị gián đoạn.

18



Internet và giao thức

Nhóm 3

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY
I. CÁC CƠ SỞ CƠ BẢN CỦA GIAO THỨC MAC
Một khó khăn lớn trong việc thiết kế các giao thức MAC hiệu quả cho các phương
tiện truy cập được chia sẻ phát sinh từ sự phân bố không gian của các nút giao tiếp. Để
đạt được thỏa thuận về việc nút nào có thể truy cập kênh liên lạc tại bất kỳ thời điểm
nào, các nút phải trao đổi một số lượng thông tin phối hợp. Tuy nhiên, việc trao đổi
thông tin này thường yêu cầu sử dụng chính kênh liên lạc. Hơn nữa, phân bổ không gian
không cho phép một nút nhất định trên mạng biết trạng thái tức thời của các nút khác
trên mạng.
Xác định bản chất và mức độ thông tin được sử dụng bởi một giao thức đa truy
nhập phân tán là một nhiệm vụ khác nhau, nhưng có khả năng là một cơng việc có giá
trị. Sự hiểu biết chính xác những thơng tin cần thiết có thể dẫn đến việc đánh giá cao giá
trị của nó. Hầu hết các giao thức đa truy nhập phân tán được đề xuất cho WSN đều hoạt
động ở một số nơi dọc theo một dải thông tin từ lượng thông tin tối thiểu đến thơng tin
hồn hảo.
1. u cầu về hiệu suất
Trong việc cố gắng xác định các yêu cầu về hiệu suất của các giao thức MAC,
phạm vi nghiên cứu đã rất rộng. Theo truyền thống, các vấn đề như độ trễ, thơng số, tính
mạnh mẽ, khả năng mở rộng, tính ổn định và tính cơng bằng đã chi phối thiết kế của các
giao thức MAC. Sau đây là một cuộc thảo luận ngắn gọn về các chỉ số hiệu suất này.
Độ trễ đề cập đến khoảng thời gian mà gói dữ liệu trong lớp MAC dành cho trước
khi nó được truyền đi thành công. Độ trễ không chỉ phụ thuộc vào tải truyền tải của
mạng mà còn phụ thuộc vào các lựa chọn thiết kế của giao thức MAC. Đối với các ứng

dụng quan trọng về thời gian, giao thức MAC được yêu cầu hỗ trợ các đảm bảo giới hạn
độ trễ cần thiết để các ứng dụng này đáp ứng các yêu cầu QoS của chúng.
Thông lượng thường được coi là tốc độ mà các thông điệp được phục vụ bởi một
hệ thống truyền thơng. Nó thường được đo bằng tin nhắn trên giây hoặc bit trên giây.
Trong môi trường khơng dây, nó đại diện cho một phần dung lượng kênh được sử dụng
để truyền dữ liệu. Thông lượng tăng khi tải trên hệ thống thông tin liên lạc tăng ban đầu.
Sau khi tải đạt đến ngưỡng xác nhận, thông lượng sẽ ngừng tăng và trong một
số trường hợp, nó có thể bắt đầu giảm. Mục tiêu quan trọng của giao thức MAC là tối
đa hóa thơng lượng kênh trong khi giảm thiểu độ trễ của bản tin.
Tính mạnh mẽ, được gọi là sự kết hợp của các yêu cầu về độ tin cậy, tính khả
dụng và độ tin cậy, tái tạo mức độ nhạy cảm của giao thức đối với các lỗi và thơng tin
sai lệch. Tính mạnh mẽ là một hoạt động đa chiều phải giải quyết triệt để các vấn đề như
lỗi, phát hiện và che dấu lỗi, kiểm tra lại và khởi động lại. Đạt được sự mạnh mẽ trong
một mạng thay đổi theo thời gian như WSN là rất khó, vì nó phụ thuộc nhiều vào các
mơ hình lỗi của cả các liên kết và các nút giao tiếp.

19


Internet và giao thức

Nhóm 3

Khả năng mở rộng đề cập đến khả năng của một hệ thống truyền thông đáp ứng
các đặc tính hoạt động của nó bất kể quy mô của mạng hoặc số lượng các nút cạnh tranh.
Trong WSN, số lượng nút cảm biến có thể rất lớn, vượt quá hàng nghìn và trong
một số trường hợp là hàng triệu nút. Trong các mạng này, khả năng mở rộng trở thành
một yếu tố quan trọng. Để đạt được khả năng mở rộng là một thách thức, đặc biệt là
trong các môi trường thay đổi theo thời gian như mạng khơng dây.
Tính ổn định đề cập đến khả năng của một hệ thống thông tin liên lạc để xử lý

các điều chỉnh của tải trọng trong khoảng thời gian liên tục. Thông thường, khả năng
mở rộng của giao thức MAC được nghiên cứu liên quan đến độ trễ hoặc thông lượng.
Giao thức MAC được coi là ổn định, đối với độ trễ, nếu thời gian chờ tin nhắn bị giới
hạn. Các hệ thống này có thể được đặc trưng bởi một lượng thông điệp tồn đọng bị ràng
buộc trong q trình truyền xếp hàng. Đối với thơng lượng, giao thức MAC ổn định nếu
thông lượng không bị sụp đổ khi tải được cung cấp tăng lên. Điều chỉnh tải trọng trong
khi duy trì sự ổn định của hệ thống là điều khó đạt được trong các WSN quy mơ lớn
thay đổi theo thời gian.
Hiệu suất năng lượng là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong việc thiết
kế MAC thiết kế cho các nút cảm biến không dây. Một số nguồn đóng góp vào năng
lượng kém hiệu quả trong các giao thức lớp MAC. Nguồn đầu tiên của sự lãng phí năng
lượng là va chạm, xảy ra khi hai hoặc nhiều nút cảm biến cố gắng truyền đồng thời
Nguồn thứ hai gây lãng phí năng lượng là lắng nghe nhàn rỗi. Nguồn lãng phí năng
lượng thứ ba là nghe lén xảy ra khi một nút cảm biến nhận các gói được chuyển đến các
nút khác. Nguồn lãng phí năng lượng chính thứ tư là do chi phí gói điều khiển. Cuối
cùng, việc chuyển đổi thường xuyên giữa các chế độ hoạt động khác nhau có thể dẫn
đến tiêu thụ năng lượng đáng kể.
2. Giao thức chung
Việc lựa chọn phương pháp MAC là yếu tố quyết định chính đến hiệu suất của
WSN. Một số chiến lược đã được đề xuất để giải quyết vấn đề truy cập phương tiện
được chia sẻ. Các chiến lược này cố gắng, bằng nhiều cơ chế khác nhau, nhằm đạt được
sự cân bằng giữa việc đạt được quyết định phân bổ nguồn lực chất lượng cao nhất và
những điều cần thiết để đạt được quyết định này. Các chiến lược này có thể được phân
loại theo ba loại chính: phân cơng cố định, phân công theo yêu cầu và phân công ngẫu
nhiên.
Lược đồ FDMA được các hệ thống vô tuyến sử dụng để chia sẻ phổ vô tuyến.
Dựa trên lược đồ này, băng thông khả dụng được chia thành các kênh con. Sau đó, truy
cập đa kênh đạt được bằng cách phân bổ các nút giao tiếp với các tần số sóng mang khác
nhau của phổ vơ tuyến. Băng thơng của sóng mang của mỗi nút bị hạn chế trong các
giới hạn nhất định để không xảy ra nhiễu hoặc chồng chéo giữa các nút khác nhau.

TDMA là công nghệ truyền dẫn kỹ thuật số cho phép một số nút giao tiếp truy
cập vào một kênh tần số vô tuyến duy nhất mà không bị nhiễu. Điều này đạt được bằng
cách chia tần số vơ tuyến thành các khe thời gian và sau đó phân bổ các khe thời gian
duy nhất cho mỗi nút giao tiếp. Các nút thay phiên nhau truyền và nhận theo kiểu vòng

20


Internet và giao thức

Nhóm 3

tròn. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng chỉ có một nút thực sự đang sử dụng kênh tại bất kỳ thời
điểm nhất định nào trong khoảng thời gian.
CDMA là một lược đồ dựa trên trải phổ (SS) cho phép nhiều nút giao tiếp truyền
đồng thời. Trải phổ là một kỹ thuật điều chế tần số vô tuyến, trong đó năng lượng vơ
tuyến được trải rộng trên một băng thông rộng hơn nhiều so với băng thông cần thiết
cho tốc độ dữ liệu. Các hệ thống dựa trên cơng nghệ trải phổ truyền tín hiệu thơng tin
bằng cách kết hợp nó với tín hiệu nhiễu có băng thơng lớn hơn nhiều để tạo ra tín hiệu
băng rộng.
Các giao thức truy cập ngẫu nhiên lần đầu tiên được phát triển cho các liên kết
vô tuyến dài và cho truyền thơng vệ tinh. Giao thức ALOHA, cịn được gọi là ALOHA
thuần túy, là một trong những giao thức truy cập phương tiện đầu tiên như vậy. ALOHA
chỉ đơn giản là cho phép các nút truyền bất cứ khi nào chúng có dữ liệu để truyền. Nỗ
lực cải thiện hiệu suất của ALOHA thuần túy dẫn đến sự phát triển của một số chương
trình, bao gồm đa truy cập cảm biến sóng mang (CSMA), đa truy cập cảm biến sóng
mang với phát hiện xung đột (CSMA / CD) và đa truy cập cảm biến sóng mang khi xung
đột tránh (CSMA / CA).
ALOHA là giao thức đơn giản không yêu cầu điều khiển trung tâm, do đó cho
phép thêm và xóa các nút một cách dễ dàng. Hơn nữa, trong điều kiện tải nhẹ, các nút

có thể truy cập vào kênh trong khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, điểm hạn chế chính
của giao thức là hiệu suất mạng suy giảm nghiêm trọng do số lượng xung đột tăng nhanh
khi tải tăng lên. Để cải thiện hiệu suất của ALOHA tinh khiết, ALOHA có rãnh đã được
đề xuất. Trái ngược với ALOHA thuần túy, q trình truyền chỉ có thể xảy ra ở ranh
giới khe. Do đó, xung đột có thể chỉ xảy ra ở phần đầu của một khe, và các gói xung đột
chồng lên nhau hồn tồn theo thời gian.
CSMA/CD Trong các mạng có độ trễ lan truyền nhỏ so với thời gian truyền gói,
lược đồ CSMA và các biến thể của nó có thể dẫn đến độ trễ trung bình nhỏ hơn và thơng
lượng cao hơn so với các giao thức ALOHA. Sự cải thiện hiệu suất này chủ yếu là do
cảm biến sóng mang làm giảm số lượng va chạm và quan trọng hơn là độ dài của khoảng
thời gian va chạm. Tuy nhiên, nhược điểm chính của các lược đồ dựa trên CSMA là các
trạm cạnh tranh vẫn truyền các gói dữ liệu của chúng ngay cả khi xảy ra xung đột. Đối
với các gói dữ liệu dài, lượng băng thơng lãng phí khơng đáng kể so với thời gian dự
kiến. Hơn nữa, các nút có thể bị chậm trễ lâu một cách không cần thiết khi đợi q trình
truyền tồn bộ gói hồn tất trước khi cố gắng truyền lại gói.
CSMA / CA Cảm biến sóng mang trước khi truyền là một cách tiếp cận hiệu quả
để tăng hiệu suất thông lượng trong môi trường truy cập chia sẻ phương tiện. Mặc dù có
thể áp dụng trong môi trường không dây, sơ đồ này dễ mắc phải hai vấn đề, thường được
gọi là vấn đề nút ẩn và nút tiếp xúc. Các vấn đề nút ẩn và nút tiếp xúc là kết quả gián
tiếp từ các đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh khơng dây, gây ra bởi các hiện
tượng vật lý như nhiễu, mờ dần, suy hao và mất đường dẫn. Những nhiễu này, kết hợp
với sự sụt giảm nhanh chóng cơng suất nhận được với khoảng cách giữa người gửi và
người nhận, giới hạn phạm vi truyền dẫn tối đa mà một nút gửi có thể đạt được. Hạn chế
này và thực tế là CSMA được thiết kế để tránh va chạm bằng cách cảm nhận tín hiệu

21


Internet và giao thức


Nhóm 3

trong vùng lân cận của máy phát dẫn đến các vấn đề nút ẩn và nút lộ. Nút A sau đó tiến
hành truyền gói tin của nó. Giả sử bây giờ trước khi nút A hồn tất quá trình truyền đến
nút B, nút C quyết định truyền một gói dữ liệu đến nút B. Sử dụng giao thức CSMA, nút
C cảm nhận được kênh và cũng xác định rằng kênh là miễn phí, vì nút C, là nằm ngồi
phạm vi truyền của nút A, khơng thể nghe được tín hiệu do nút A. Truyền và kết quả là
cả hai đường truyền xung đột tại nút B, do đó làm mất cả hai gói dữ liệu. Lưu ý rằng cả
nút A và nút C đều không nhận biết được sự liên kết, vì nó xảy ra ở máy thu.

Hình 2.1 Nút ẩn trong mạng cảm biến khơng dây
Vấn đề nút tiếp xúc cũng là kết quả của đặc tính nội tại của kênh khơng dây. Nút
tiếp xúc là nút nằm trong phạm vi của người gửi nhưng nằm ngồi phạm vi của đích. Để
minh họa vấn đề nút tiếp xúc, hãy xem xét mạng được mô tả trong Hình 2.2, trong đó
nút B nằm trong phạm vi truyền của các nút A và C, các nút A và C nằm ngoài phạm vi
truyền của chúng và nút D nằm trong phạm vi truyền của nút C. Giả sử rằng nút B muốn
truyền một thông điệp đến nút A. Nút B thực thi giao thức CSMA để cảm nhận kênh,
xác định rằng kênh là miễn phí và tiến hành truyền gói dữ liệu đến nút A. Bây giờ, giả
sử rằng nút C cần gửi một gói đến D. Nút C tuân theo quy tắc CSMA và đầu tiên cảm
nhận kênh. Do quá trình truyền liên tục giữa các nút B và A, nút C xác định rằng kênh
đang bận và trì hỗn việc truyền gói tin của nó đến một thời gian sau. Tuy nhiên, rõ ràng
là sự chậm trễ này là khơng cần thiết, vì q trình truyền từ nút C đến nút D sẽ được
hoàn tất thành cơng hồn tồn, vì nút D nằm ngồi phạm vi của nút B.

Hình 2.2 Nút tiếp xúc trong mạng cảm biến không dây

22


Internet và giao thức

II.

Nhóm 3

GIAO THỨC MAC CHO WSN

Nhu cầu tiết kiệm năng lượng là vấn đề quan trọng nhất trong việc thiết kế các
giao thức lớp MAC có thể mở rộng và ổn định cho các WSN. Một số yếu tố góp phần
vào việc lãng phí năng lượng, bao gồm chi phí q cao, nghe khơng hoạt động, va chạm
gói và nghe lén. Việc điều chỉnh quyền truy cập vào phương tiện truyền thông yêu cầu
trao đổi thông tin kiểm sốt và đồng bộ hóa giữa các nút cạnh tranh. Việc trao đổi rõ
ràng một số lượng lớn các gói điều khiển và đồng bộ hóa này có thể dẫn đến tiêu thụ
năng lượng đáng kể. Thời gian nghe khơng hoạt động trong thời gian dài cũng có thể
làm tăng tiêu thụ năng lượng và giảm thông lượng mạng. Trong một số trường hợp, năng
lượng lãng phí do nghe không hoạt động chiếm hơn một nửa tổng năng lượng tiêu thụ
của một cảm biến trong suốt thời gian hoạt động của nó.

Hình 2.3 Lỗi tránh va chạm bằng cách sử dụng RTS / CTS
1. Giao thức dựa trên lịch trình
Các giao thức MAC dựa trên lịch trình cho WSN giả định sự tồn tại của một lịch
trình quy định quyền truy cập vào tài nguyên để tránh tranh chấp giữa các nút. Các tài
nguyên điển hình bao gồm thời gian, băng tần hoặc mã CDMA. Mục tiêu chính của các
giao thức MAC dựa trên lịch trình là đạt được mức năng lượng cao để kéo dài tuổi thọ
mạng. Các thuộc tính khác được quan tâm bao gồm khả năng mở rộng, khả năng thích
ứng với những thay đổi trong tải trọng và cấu trúc liên kết mạng. Hầu hết các giao thức
dựa trên lịch trình cho WSN sử dụng một biến thể của lược đồ TDMA, theo đó kênh
được chia thành các khe thời gian, như được mô tả trong Hình 2.4. Tập hợp N khe liên
tục, trong đó N là tham số hệ thống, tạo thành một khung logic. Khung logic này lặp lại
theo chu kỳ theo thời gian. Trong mỗi khung logic, mỗi nút cảm biến được gán một tập
hợp các khe thời gian cụ thể.

Dựa trên lịch trình được ấn định của nó, một cảm biến sẽ luân phiên giữa hai chế
độ hoạt động: chế độ hoạt động và chế độ ngủ. Trong chế độ hoạt động, cảm biến sử

23


Internet và giao thức

Nhóm 3

dụng các khe được chỉ định của nó trong một khung logic để truyền và nhận các khung
dữ liệu. Bên ngoài các khe được chỉ định, các nút cảm biến chuyển sang chế độ ngủ.
Trong chế độ này, các nút cảm biến tắt bộ thu phát sóng vơ tuyến của chúng để tiết kiệm
năng lượng.
Nhiều biến thể trên giao thức TDMA cơ bản đã được đề xuất để kiểm soát truy
cập phương tiện trong WSNs. Tiếp theo, chúng em cung cấp đánh giá ngắn gọn về một
số giao thức này.

Hình 2.4 Các giao thức MAC dựa trên TDMA cho mạng cảm biến khơng dây
Kiểm sốt truy cập phương tiện tự tổ chức cho mạng cảm biến (SMACS) là một
giao thức kiểm sốt truy cập trung bình để cho phép hình thành các đỉnh mạng ngẫu
nhiên mà khơng cần thiết lập đồng bộ hóa tồn cầu giữa các nút mạng. Một tính năng
chính của SMACS là nó sử dụng phương pháp TDMA / FH kết hợp được gọi là truyền
thơng theo lịch trình khơng đồng bộ để cho phép các liên kết được hình thành và lập lịch
đồng thời trên tồn mạng mà khơng cần trao đổi thơng tin kết nối tồn cầu tốn kém hoặc
đồng bộ hóa thời gian. SMACS yêu cầu mỗi nút thường xuyên thực hiện thủ tục khám
phá vùng lân cận để phát hiện các nút lân cận. Mỗi nút thiết lập một liên kết đến từng
lân cận được phát hiện bằng cách gán một khe thời gian cho liên kết này.
Bluetooth là một cơng nghệ mới nổi có thiết bị hỗ trợ truy cập phương tiện chính
là giao thức dựa trên TDMA tập trung. Bluetooth được thiết kế để thay thế cáp và liên

kết hồng ngoại được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử khác nhau như điện thoại di
động, tai nghe, PDA, máy ảnh kỹ thuật số, máy tính xách tay và thiết bị ngoại vi của
chúng bằng một liên kết vô tuyến tầm ngắn phổ quát. Để giảm tiêu thụ năng lượng,
Bluetooth có bốn chế độ hoạt động: hoạt động, hít, giữ và đỗ.
Hệ thống phân cấp phân cụm thích ứng năng lượng thấp (LEACH) LEACH thực
hiện cách tiếp cận phân cấp và tổ chức các nút thành các cụm. Trong mỗi cụm, các nút
thay phiên nhau đảm nhận vai trò của một người đứng đầu cụm. LEACH sử dụng TDMA
để đạt được giao tiếp giữa các nút và đầu cụm của chúng. Đầu cụm chuyển đến các bản
tin trạm gốc nhận được từ các nút cụm của nó.

24