Đang tải... (xem toàn văn)
Trong nhiều thập kỷ qua, đã hình thành một cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc ở khắp nơi - Internet
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VÀ CÁC KHUNG GIAO THỨC I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN) Định nghĩa Cấu trúc WSN 2.1 Node cảm biến 2.2 Sensornet Ứng dụng WSN II MƠ HÌNH OSI………… III MƠ HÌNH TCP/IP IV KHUNG GIAO THỨC IPv4 V KHUNG GIAO THỨC IPv6 VI TẠI SAO PHẢI KẾT HỢP SENSORNET VÀ IPv6 CHƢƠNG II: IPv6 TRÊN KIẾN TRÚC WSN 10 I KIẾN TRÚC INTERNET MỞ RỘNG 10 Các thành phần mạng 10 Kiến trúc nhiều lớp 10 Sự kết hợp liên mạng 11 Triển khai IPv6 Sensornet 11 II TRÁNH LIÊN KẾT CẠNH TRANH 11 Các giả định truyền thống 11 Liên kết IP Phạm vi sóng radio 12 III ĐÁNH ĐỊA CHỈ IPv6 VÀ MƠ HÌNH TIỀN TỐ 12 Định danh giao diện (IID) 12 Tiền tố định tuyến toàn cầu 13 IV TỔNG KẾT 13 CHƢƠNG III: NÉN HEADER VÀ PHÁT TRIỂN LỚP MẠNG IPv6 ÁP DỤNG CHO SENSORNET 14 I ĐIỀU CHỈNH 14 Đối phó với datagram IPv6 lớn 14 Chuyển phát datagram IPv6 14 2.1 Header dạng ngăn xếp 14 2.2 Chuyển tiếp lớp lớp 15 Nén datagram IPv6 16 3.1 Tổng quát số loại nén 16 3.2 Nén Header IPv6 17 3.3 Nén Next Header 17 Tổng kết 18 II CẤU HÌNH VÀ QUẢN LÝ 18 Cấu hình số lƣợng lớn node 18 Phát láng giềng (Neighbor Discovery - ND) 18 2.1 Bối cảnh 18 2.2 Tìm kiếm Router 19 2.3 Tìm kiếm láng giềng 20 Tự động cấu hình địa 20 3.1 Bối cảnh 20 3.2 Staless (SLAAC) 20 3.3 Stateful (DHCPv6) 21 Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 1/38 Thông điệp Thông tin Thông điệp Lỗi ICMPv6 21 Tổng kết 21 III CHUYỂN TIẾP 22 Chuyển tiếp Datagram với Năng lƣợng-hiệu 22 Chuyển tiếp Unicast 22 2.1 Bối cảnh 22 2.2 Phục hồi Hop-by-Hop 22 2.3 Streaming 23 2.4 Kiểm soát tắc nghẽn 24 3.1 Truyền thông Multicast 24 3.2 Trickle dựa Multicast 24 Tổng kết 25 IV ĐỊNH TUYẾN 25 Bối cảnh 25 Các tuyến đƣờng mặc định 25 2.1 Khám phá tuyến đƣờng tiềm 25 2.2 Quản lý Bảng định tuyến 25 2.3 Lựa chọn tuyến đƣờng mặc định 26 2.4 Duy trì quán tuyến đƣờng 26 Tuyến đƣờng Host 27 3.1 Kiến thức tuyến đƣờng Host 27 3.2 Định tuyến biên giới 28 Tổng kết 28 V TỔNG KẾT 28 CHƢƠNG IV: NÉN HEADER CỦA IPV6 ÁP DỤNG CHO WSN 29 I GIỚI THIỆU 29 II BỐI CẢNH CỦA VẤN ĐỀ 29 III ĐỊNH DẠNG HEADER IPv6 ĐƢỢC NÉN XUỐNG BYTE 30 Địa Unicast toàn cầu 31 13-bit địa ngắn 31 VI NÉN HEADER VÀ THUẬT TOÁN MỞ RỘNG 31 Sơ đồ nén 40 byte thành byte 32 Mã nén 40 byte thành byte 33 Sơ đồ giải nén byte thành 40 byte 35 Mã giải nén byte thành 40 byte 36 VII NHẬN XÉT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 37 Nhận xét 37 Hƣớng phát triển 37 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 2/38 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đồ án tốt nghiệp này, em học hỏi kiến thức q báu từ thầy, giáo Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng suốt bốn năm đại học, đặc biệt thời gian làm đồ án Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy Nguyễn Trọng Thể - Khoa công nghệ thông tin – Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng tận tình bảo định hướng cho em nghiên cứu đề tài Thầy cho em lời khuyên quan trọng suốt q trình hồn thành đồ án Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ em suốt thời gian học tập, q trình nghiên cứu, hồn thành đồ án Do hạn chế thời gian thực tập, tài liệu trình độ thân, đồ án em khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong thầy góp ý sửa chữa để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 3/38 MỞ ĐẦU Trong nhiều thập kỷ qua, hình thành sở hạ tầng thông tin liên lạc khắp nơi - Internet Sự thành công to lớn chế end-to-end nguyên tắc thiết kế kiến trúc IP giúp cho Internet có vị trí ngày Cơ chế end-to-end đơn giản, đồng thời khả nhân rộng tốt Còn lớp kiến trúc IP sử dụng phân tầng với khả cung cấp lớp Ưu điểm kiến trúc mạng phân tầng: quản lý đơn giản, thúc đẩy đổi tiến hóa nhanh chóng Với phát triển mạnh mẽ nhiều công nghệ mới, kiến trúc có quy mơ rộng khắp => minh chứng cho thành công kiến trúc Và đây, mạng cảm nhận không dây (sensornet) lên sóng nghiên cứu mạnh mẽ phát triển giới vật lý kỹ thuật số Nhưng đặc điểm khác với thiết bị IP truyền thống, đẩy vấn đề kết nối mạng đến nấc thang Khi gắn sensornet vào khơng gian vật lý mang nhiều thách thức: nhớ, khả tính tốn giao tiếp, nguồn lượng hạn chế Nhiều nghiên cứu lĩnh vực lập luận rằng: "nhiều học kinh nghiệm từ Internet thiết kế mạng di động áp dụng cho thiết kế ứng dụng sensornet mạng lưới cảm nhận có đủ thủ tục để xem xét lại cấu tổng thể ứng dụng dịch vụ" Kiến trúc Internet tránh nhiều lý sau: • Nguồn lực khó khăn làm ảnh hưởng đến việc cho kiến trúc nhiều lớp • Một số lượng lớn thiết bị, đồng thời chúng không cần giám sát việc triển khai, ngăn cản phụ thuộc vào giao tiếp quảng bá cấu hình thời cần thiết để triển khai vận hành thiết bị mạng • Thuật toán định vị xử lý bên mạng u cầu phải linh hoạt có tính mở rộng • Khơng giống mạng truyền thống, node cảm biến khơng cần danh tính (ví dụ, địa chỉ) • Mạng lưới truyền thống thiết kế để chứa loạt ứng dụng Trong khi, sensornet đặc dụng với nhiệm vụ cảm biến Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 4/38 Hiện có tiến đáng kể nhiều lĩnh vực, bao gồm: giao thức liên kết với lượng thấp dựa lắng nghe truyền thông với thời gian đồng bộ, giao thức mạng cung cấp truyền thông n-1, 1-n n-n; kiểm sốt tắc nghẽn Hop-by-Hop kiểm sốt dịng; giao thức vận chuyển liên quan đến chuyển giao đáng tin cậy cho liệu nhỏ lớn Trong đồ án này, triển khai IPv6 dựa kiến trúc mạng sensornet Căn vào phân tích đồ án này, em tin kiến trúc truyền thông cho sensornet nên giữ “eo hẹp” lớp mạng IPv6 cung cấp kiến trúc: phân lớp, đánh địa chỉ, định dạng Header, cấu hình, quản lý, chuyển tiếp, định tuyến cung cấp cấu trúc cần thiết cho việc thiết kế thực tất layer dạng ngăn xếp Trong đồ án này, em cho thấy làm để triển khai IPv6 với kiến trúc mạng sensornet sử dụng hiệu hiệu suất, lượng, độ tin cậy cao với kiến trúc Đố án bao gồm chương sau: + Chương I: Cho ta nhìn tổng quan sensornet, ưu, nhược điểm Đồng thời, giới thiệu mơ hình OSI, TCP/IP; khung giao thức IPv4, IPv6 Từ cho ta biết lý nên triển khai IPv6 dựa kiến trúc sensornet + Chương II: Mô tả thành phần vật lý mạng, thiết bị biên định tuyến, thiết bị định tuyến biên giới kết nối IP Đồng thời, trình bày tổng quan IPv6 dựa kiến trúc sensornet, mà trì giao thức lớp phân tách chức kiến trúc Internet, nêu rõ lý cạnh tranh LAN phù hợp với khó khăn thách thức sensornet Chương này, mô tả đánh địa IPv6 cấu trúc tiền tố, tận dụng không gian lớn địa IPv6 để giảm lưu lượng thông tin yêu cầu nhớ việc gán địa + Chương III: Phát triển lớp mạng IPv6 hoàn chỉnh cho sensornet bao gồm cấu hình quản lý, chuyển tiếp định tuyến Sử dụng kiến trúc chế thực hiện, lớp mạng cung cấp cách tiếp cận phân phát datagram với “nỗ lực cao nhất” node sensornet thiết bị IP khác Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 5/38 CHƢƠNG I: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VÀ CÁC KHUNG GIAO THỨC I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY (WSN) Định nghĩa WSN hiểu đơn giản mạng liên kết node với sóng radio, node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn lượng hạn chế hoạt động mơi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao ) Cấu trúc WSN 2.1 Node cảm biến: cấu tạo thành phần: vi điều khiển, sensor, phát radio Ngồi ra, cịn có cổng kết nối với máy tính a Vi điều khiển: bao gồm: CPU; nhớ ROM, RAM; phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ngược lại b Sensor: để cảm nhận giới bên ngoài, sau chuyển liệu qua phận chuyển đổi để xử lý c Bộ phát radio: node cảm biến thành phần quan trọng WSN, việc thiết kế node cảm biến cho tiết kiệm tối đa nguồn lượng vấn đề quan trọng hàng đầu 2.2 Sensornet Hình 1.1.1 Phân bố node cảm biến trường cảm biến Như hình 1.1.1, sensornet bao gồm nhiều node cảm biến phân bố trường cảm biến Các node có khả thu thập liệu thực tế, sau chọn đường (thường theo phương pháp đa bước nhảy) để chuyển Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 6/38 liệu thu thập node gốc Node gốc liên lạc với node quản lý nhiệm vụ thông qua Internet vệ tinh Việc thiết kế sensornet Hình 1.1.1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Khả chịu lỗi Môi trƣờng hoạt động Khả mở rộng Các phƣơng tiện truyền dẫn Giá thành sản xuất Cấu hình sensornet Tích hợp phần cứng Sự tiêu thụ lƣợng Những thách thức WSN Để WSN thực trở nên rộng khắp ứng dụng, số thách thức trở ngại cần vượt qua: Vấn đề lượng Năng lực xử lý, tính tốn Bộ nhớ lưu trữ Sự thích ứng với mơi trường Ngồi ra, cịn có số thách thức trở ngại thứ yếu như: vấn đề mở rộng mạng, giá thành node,… Ứng dụng WSN - Trong lĩnh vực an ninh - Trong lĩnh vực môi trường - Trong lĩnh vực gia đình - Trong lĩnh vực y tế II MƠ HÌNH OSI………… Mơ hình OSI gồm có lớp: Application, Presentation, Session, Transport, Network, Data Link Physical Hình 1.2.1 Mơ hình OSI Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 7/38 III MÔ HÌNH TCP/IP TCP/IP xem giản lược mơ hình OSI với bốn lớp sau: Application,Transport, Internet, Network Interface Mơ hình OSI mơ hình lý thuyết, TCP/IP xem mơ hình biến thể OSI phù hợp với thực tế Hình 1.3.1 Mối quan hệ mơ hình OSI tiêu chuẩn TCP/IP IV KHUNG GIAO THỨC IPv4 Hình 1.4.1 Header IPv4 V KHUNG GIAO THỨC IPv6 Hình 1.5.1 Cấu trúc Header Ipv6 Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 8/38 + Version (4 bit): chức trường giống IPv4 Nó chứa giá trị cho Ipv6 thay cho Ipv4 + Traffic Class (8 bit): trường thay cho trường Type of Service (ToS) Header IPv4 Nó sử dụng để biểu diễn mức ưu tiên gói tin + Flow Label (20 bit): Router nhận gói tin dịng mới, Flow Label xử lý thông tin Header IPv6, định tuyến Header lưu trữ kết nhớ cache + Payload Length (16 bit): trường thay trường Total Length Header IPv4 Nó chứa số byte tải trọng gói liệu + Next Header (8 bit): rõ Header theo sau Ipv6 Header nằm vị trí đầu trường Data Trường tương tự trường Protocol IPv4 + Hop Limit (8 bit): Chỉ rõ số Hop tối đa mà gói tin qua, tương tự trường TTL (Time To Live) Ipv4 + Source Address (128 bit): chứa địa IP thiết bị khởi tạo datagram + Destination Address (128 bit): chứa địa đích node nhận gói tin IPv6 VI TẠI SAO PHẢI KẾT HỢP SENSORNET VÀ IPv6 + Sensornet có thay đổi đáng kể thập kỷ qua + Sự đời IEEE 802.15.4 thiết kế đặc biệt cho mạng lượng thấp + IPv6 có nhiều chức hỗ trợ mạng lượng thấp Do tiến đáng kể ba lĩnh vực, thời điểm để áp dụng IPv6 dựa kiến trúc sensornet Có thể nói việc triển khai IPv6 sensornet hiệu so sánh với IPv4 Mặc dù, IPv6 nhiều chức bổ sung nhiều vấn đề quan trọng cần hỗ trợ IPv6 sensornet Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 9/38 CHƢƠNG II: IPv6 TRÊN KIẾN TRÚC WSN I KIẾN TRÚC INTERNET MỞ RỘNG Trong hình 2.1.1, mạng Internet mở rộng kết nối với Sensornet giống mạng IP khác, cách sử dụng Router Hình 2.1.1 Kiến trúc Internet mở rộng Các thành phần mạng Một mạng IEEE 802.15.4 (thường gọi PAN - Personal Area Network), bao gồm: giao diện giống PAN ID; sau sử dụng chế truy cập mơi trường CSMA; tiếp đến, trì chế liên kết cách linh hoạt lớp liên kết Một subnet IEEE 802.15.4 gồm thiết bị cuối, thiết bị chuyển tiếp (có thể có khơng) Giao tiếp với thiết bị IP bên ngồi sensornet thông qua nhiều Router biên giới Kiến trúc nhiều lớp Mơ hình giao thức lớp IP có nghĩa giao tiếp ngang chế cung cấp lớp Hướng “hẹp” kiến trúc lớp mạng IPv6 Lớp mạng gồm có ba thành phần: (i) Cấu hình phát hiện, (ii) Chuyển tiếp, (iii) Định tuyến Hình 2.1.2: Kiến trúc phần mềm IPv6 cho Sensornet Các kiến trúc cho sensornet bảo tồn giao thức lớp cấu trúc phân lớp kiến trúc IPv6 truyền thống Lớp mạng đại diện cho "eo hẹp" kiến trúc Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn Thị Thúy Ngọc - CT1002 10/38 ... 5/38 CHƢƠNG I: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VÀ CÁC KHUNG GIAO THỨC I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN) Định nghĩa WSN hiểu đơn giản mạng liên kết node với sóng radio, node mạng thường thiết... gồm: giao thức liên kết với lượng thấp dựa lắng nghe truyền thông với thời gian đồng bộ, giao thức mạng cung cấp truyền thơng n-1, 1-n n-n; kiểm sốt tắc nghẽn Hop-by-Hop kiểm sốt dịng; giao thức. .. với thực tế Hình 1.3.1 Mối quan hệ mơ hình OSI tiêu chuẩn TCP/IP IV KHUNG GIAO THỨC IPv4 Hình 1.4.1 Header IPv4 V KHUNG GIAO THỨC IPv6 Hình 1.5.1 Cấu trúc Header Ipv6 Đồ án tốt nghiệp - Nguyễn
