Luận văn Nghiên cứu mạng camera thông minh phục vụ giám sát an ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-----------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU MẠNG CAMERA THÔNG MINH

PHỤC VỤ GIÁM SÁT AN NINH

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

MÃ SỐ:

NGUYỄN QUANG MINH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC BÌNH

HÀ NỘI - 2006

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, em xin cảm ơn chân thành đến thầy

giáo PGS. TS Nguyễn Ngọc Bình, người đã định hướng khoa học, thu thập

kiến thức và hướng dẫn em trong suốt quá trình làm việc.

Nguyễn Quang Minh

Hà nội, 11 - 2006

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................... 4

DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................................................. 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................................................ 5

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 6

1.1 DẪN NHẬP................................................................................................................................................ 6

1.2 GIỚI HẠN HỆ THỐNG VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ.................................................................. 9

1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN............................................................................................... 10

CHƯƠNG 2 : MÔ HÌNH THIẾT KẾ SC & SCN......................................................................................... 12

2.1 ĐỊNH HƯỚNG THIẾT KẾ SCN............................................................................................................. 12

2.2 KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG VÀ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MỘT SC................................................. 15

2.3 KIẾN TRÚC PHẦN MỀM TRONG SC.................................................................................................. 17

2.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 24

CHƯƠNG 3 : KIẾN TRÚC ĐÁNH ĐỊA CHỈ TỰ DO TRONG SCN........................................................ 26

3.1 ZEROCONF............................................................................................................................................. 28

3.2 KIẾN TRÚC ĐÁNH ĐỊA CHỈ TỰ DO AFA........................................................................................... 30

3.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 34

CHƯƠNG 4 : ĐỒNG BỘ BỘ ĐẾM TRONG SCN....................................................................................... 35

4.1 CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN THỐNG..................................................................................................... 37

4.2 THIẾT KẾ GIẢI PHÁP ĐỒNG BỘ BỘ ĐẾM TRONG SCN................................................................. 38

4.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 41

CHƯƠNG 5 : ĐỊNH TUYẾN VÀ LỊCH TRUYỀN THÔNG TRONG SCN............................................. 43

5.1 ĐỊNH TUYẾN AODV............................................................................................................................. 44

5.2 ĐỊNH TUYẾN ZRP ................................................................................................................................. 46

5.3 LỊCH TRUYỀN THÔNG CỦA THÔNG ĐIỆP PHÁT SINH THEO CHU KỲ..................................... 50

5.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 56

CHƯƠNG 6 : AN NINH TRUYỀN THÔNG TRONG SCN ....................................................................... 59

6.1 TẬP GIAO THỨC SPINS ........................................................................................................................ 59

6.2 TẤN CÔNG TỪ CHỐI DỊCH VỤ DOS................................................................................................... 68

6.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 71

CHƯƠNG 7 : VẤN ĐỀ PHÂN TẢI, LIÊN KẾT NHIỆM VỤ GIÁM SÁT TRONG SCN..................... 73

7.1 PHÂN TÁN NHIỆM VỤ CHO SC TRONG SCN................................................................................... 76

7.2 ỨNG DỤNG TÁC TỬ THÔNG MINH................................................................................................... 84

7.3 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN .................................................................................................................. 89

CHƯƠNG 8 : LƯU TRỮ NỘI DUNG TRONG SCN................................................................................... 91

8.1 CHỌN LỰA THIẾT KẾ........................................................................................................................... 94

8.2 CẤU TRÚC DỮ LIỆU ............................................................................................................................. 97

8.3 LƯU TRỮ DỮ LIỆU VÀ THÔNG TIN TÓM TẮT.............................................................................. 103

8.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN ................................................................................................................ 105

KẾT LUẬN...................................................................................................................................................... 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................. 109

PHỤ LỤC......................................................................................................................................................... 113

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BS

Base Station, trạm gốc. Điểm gắn kết giữa hệ thống camera

giám sát với người dùng. Tại đây, tác tử di động giao tiếp với

người dùng và chuyển yêu cầu người dùng thành nhiệm vụ

giám sát tương ứng và trao đổi thông tin với hệ thống. Thuật

ngữ tương đương OCU (Operator/ Control Unit)

SC

Smart Camera, camera thông minh. Ngoài bộ phận cảm biến

ghi hình khung cảnh và biến đổi thành dữ liệu số, SC còn có

các khối chức năng khác như lưu trữ, truyền thông, xử lý,

điều khiển PTZ ...

SCN

Smart Camera Network, mạng liên kết các camera thông

minh. Là mạng liên kết các SC, không hướng cấu trúc mà

hướng các sự kiện hệ thống phục vụ cho mục đích giám sát an

ninh. SCN là một đại diện của hệ thống xử lý hình toàn năng,

hệ thống đa phương tiện nhúng phân tán.

s_clu

Surveillance Cluster, nhóm các camera giám sát. Một nhóm

được tạo bởi các SC có quan hệ trong sự kiện, nhiệm vụ.

Trong SCN, khái niệm này dùng để chỉ những SC hoạt động

ở chế độ trung gian giao tiếp giữa ứng dụng tra cứu, BS với

các SC khác. Tên gọi khác: AGM (Archive/ Gateway Module)

proxy

5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1. Các dự án nghiên cứu định tuyến trong mạng ad-hoc....................... 43

Bảng 2. Các loại giao thức trong ZRP ............................................................ 48

Bảng 3. Các lớp mạng và phòng chống tấn công từ chối dịch vụ .................. 69

Bảng 4. Thuật toán CSP cục bộ ...................................................................... 77

Bảng 5. Thuật toán CSP cục bộ có tỉa sớm..................................................... 78

Bảng 6. Thuật toán trộn hai thành phần.......................................................... 80

Bảng 7. So sánh tính năng các hệ lưu trữ nội dung ........................................ 93

Bảng 8. So sánh các phương pháp đánh chỉ mục.......................................... 102

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. Các hệ thống camera giám sát thế hệ thứ nhất và thứ hai.................... 6

Hình 2. Hệ thống camera giám sát thế hệ thứ ba.............................................. 7

Hình 3. Định hướng thiết kế SCN................................................................... 13

Hình 4. Sơ đồ khối chức năng phần cứng trong SC........................................ 15

Hình 5. Kiến trúc phần cứng và đánh giá mức tiêu thụ năng lượng một SC.. 16

Hình 6. Kiến trúc phần mềm trong SC điển hình ........................................... 19

Hình 7. Cách đánh địa chỉ IP theo vị trí SC.................................................... 26

Hình 8. Mô hình hệ thống hướng sự kiện [CG_06]........................................ 30

Hình 9. Đường găng trong đồng bộ thời gian truyền thống và RBS .............. 41

Hình 10. Tuyến zone đối với nút A trong trường hợp ρ = 2 ........................ 47

Hình 11. Tái cấu trúc zone khi các nút chuyển vị........................................... 49

Hình 12. Truyền thông điệp qua một bước truyền.......................................... 51

Hình 13. Hai kiểu sắp lịch truyền thông. ........................................................ 52

Hình 14. Sử dụng chuỗi khóa theo khe thời gian để xác thực gốc truyền tin. 65

Hình 15. Phòng chống tấn công DoS kiểu gây nghẽn. ................................... 70

Hình 16. Kiến trúc TSAR với proxy và SC .................................................... 94

Hình 17. Một skip list và skip graph với n = 6 nút và [log n] = 3 mức .......... 99

Hình 18. Bản ghi lưu trữ đơn ........................................................................ 103

6

CHƯƠNG 1 : MỞ ĐẦU

1.1 DẪN NHẬP

Việc ứng dụng mạng camera để giám sát an ninh khu vực đã được đưa

vào thực tế từ rất lâu. Theo dòng phát triển khoa học công nghệ, các mạng

camera giám sát phát triển không ngừng, đến nay đã trải qua ba thế hệ công

nghệ

Thế hệ đầu tiên, là giai đoạn sử dụng các camera tương tự CCTV, tín

hiệu hình ảnh được truyền từ về trung tâm, nơi có đặt thiết bị xuất hình hay

lưu trữ ra băng từ.

Thế hệ thứ hai, đã có sự tiến chuyển là xuất hiện các thiết bị số đặt tại

trung tâm, các dòng dữ liệu hình truyền tải về đây được phân tích và xử lý tự

động theo thời gian thực. Hệ thống có khả năng đưa ra cảnh báo dựa trên

phân tích tự động dữ liệu nhận được do các camera cung cấp.

Hình 1. Các hệ thống camera giám sát thế hệ thứ nhất và thứ hai

Thế hệ thứ ba, là thế hệ mạng giám sát ngày nay, đã có sự thay thế

hoàn toàn các camera tương tự bởi các camera số nên dòng dữ liệu hình

truyền về trung tâm là dòng video đã qua nén để tối ưu băng thông cũng như

sử dụng trực tiếp hạ tầng mạng IP như Ethernet hay Wireless LAN. Tại trung

tâm các thiết bị cũng có hiệu năng cao hơn nhiều so với thế hệ trước.

7

Hình 2. Hệ thống camera giám sát thế hệ thứ ba

Khái niệm camera thông minh intelligent camera bắt đầu được đưa ra

vào thời điểm này, với định nghĩa đơn giản là camera có thể tiền xử lý các

hình ảnh thu nhận được¹.

Tuy nhiên hệ thống thế hệ thứ ba chưa thật sự đáp ứng được nhu cầu

người dùng trong nhiều trường hợp. Nguyên nhân sâu xa nằm tại kiến trúc

của hệ thống. Kiến trúc này có nhiều nhược điểm, cụ thể như:

- Tính chịu lỗi thấp Khi có sự cố tại trung tâm điều khiển dễ dẫn đến

điều khiển hệ thống, các phân tích và xử lý dữ liệu hình bị đình trệ đến

khi sự cố này được khắc phục.

- Thông tin chưa như mong muốn Để có các kết quả phân tích dữ liệu

hình chất lượng cao, các dữ liệu hình truyền tải về trung tâm phải chọn

phương pháp nén không mất thông tin lossless và tốc độ dòng bit cao.

Bài toán đặt ra ở đây là cân nhắc giữa băng thông và tỷ số nén. Những

phương pháp nén hiện nay như JPEG, MPEG hay MJPEG cho tỷ số

nén tốt nhưng thuộc loại nén mất thông tin. Như vậy có thể xảy ra

trường hợp là có dữ liệu truyền về trung tâm nhưng chất lượng dữ liệu

đó không đáp ứng được nhu cầu của ứng dụng.

¹Các tác vụ như trích chọn đặc trưng, phát hiện chuyển động và thông tin cảnh báo truyền về trung tâm trước

song song với việc truyền dòng dữ liệu hình về ở các tốc độ khung và chất lượng ảnh khác nhau.

8

- Thiếu tính tự chủ Thông tin điều khiển luôn theo hướng từ trung tâm

đến camera, giữa các camera không có khả năng trao đổi thông tin trực

tiếp.

- Không có khả năng tái cấu trúc kiến trúc phân tầng và phân chia chức

năng của từng vùng trong hệ thống dẫn đến khả năng thích nghi của hệ

thống là không cao. Điều này dẫn đến việc lai ghép hay phân tách hệ

thống rất khó khăn. Hệ thống là hầu như không phân tách tùy ý được

do tồn tại trung tâm điều khiển.

Về tổng quan, một hệ thống giám sát an ninh gồm có những thành phần

sau:

1. Kiến trúc cảm biến.

2. Các thuật toán phát hiện và xử lý cấp thấp.

3. Kiến trúc xử lý tính toán phần cứng.

4. Kiến trúc xử lý tính toán phần mềm.

5. Giao diện người dùng.

6. Các thuật toán cấp cao để hợp nhất dữ liệu và loại bỏ những sự kiện

không mong muốn.

Trong những năm gần đây, người ta đã tập trung nghiên cứu thay đổi

kiến trúc hệ thống trong các thành phần 3, 4 từ xử lý tập trung sang phân tán.

Tất nhiên những thay đổi về kiến trúc đó sẽ dẫn đến những thay đổi tương

ứng ở những thanh phần còn lại. Hệ thống mới được xếp loại là thế hệ thứ 3+.

Luận văn này được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và xây dựng

mới một sản phẩm là hệ thống trong nhóm thế hệ 3+ này. Sản phẩm này được

đặt tên là HỆ THỐNG CAMERA THÔNG MINH - Smart Camera Networks

(SCN).

9

1.2 GIỚI HẠN HỆ THỐNG VÀ CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TỰ

Các hệ thống xử lý hình toàn năng ubiquitous vision system (UVS)², là

mong muốn đạt được của các nhà khoa học máy tính trên thế giới. Trên một

lĩnh vực cụ thể là giám sát an ninh khu vực thì SCN có thể coi là đại diện tiêu

biểu của UVS, do vậy tôi chọn lựa và xây dựng SCN trong phạm vi các ràng

buộc về công nghệ và ứng dụng nhất định.

SCN tổng quát được định nghĩa là mạng của các camera phân tán thực

sự và phân tải phân tán xử lý tính toán³.

Trên thế giới, các hệ thống gần tương tự như SCN cũng đã được nhiều

nhà khoa học nghiên cứu hoặc đã được ứng dụng trong an ninh quốc phòng.

Mục tiêu xây dựng hệ thống SCN cho thị trường dân sự và an ninh khu vực,

nên tôi tập trung xây dựng và giải quyết hai bài toán cơ bản nhất của một

mạng giám sát an ninh phân tán, cụ thể là:

1. Bài toán CB1: Đánh giá tác động và cơ chế điều chỉnh phân tán nhiệm

vụ giám sát cho mỗi SC trong SCN.

2. Bài toán CB2: Tìm kiếm thông tin, dữ liệu hình đã lưu trữ trong SCN.

Các ứng dụng phát hiện và trích chọn đặc trưng cục bộ có thể xử lý bởi

một camera đơn nhất được coi là đơn giản và không trình bày trong luận văn

này.

Tuy phân tích hành vi đối tượng, phân tích tình huống phát hiện chuyển

động bất thường là những ứng dụng phức tạp nhưng có thể giải quyết bởi việc

phát triển bài toán CB1, và cũng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận văn

này nên cũng không trình bày tại đây mà dành cho các nghiên cứu mở rộng

tiếp theo.

²Capture and maintain an awareness of dynamic events of variable spatiotemporal resolution and of multiple

levels of abstraction.

³Physically distributed cameras and distributed computing.

10

Do điều kiện kỹ thuật chưa có điều kiện triển khai thực tế tại Việt Nam

nên hai bài toán cơ bản nêu trên được xây dựng và giải quyết trên cơ sở phân

tích, đánh giá và thử nghiệm trên mô hình mô phỏng và phòng thí nghiệm.

1.3 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Luận văn này là một ứng dụng nhỏ của ngành khoa học máy tính vào

trong lĩnh vực giám sát an ninh khu vực và là cơ sở để xây dựng các hệ thống

thương mại mới, phù hợp với mặt bằng khoa học và công nghệ tại Việt Nam

hiện nay. Những đóng góp chính về mặt khoa học của luận văn là:

- Đề xuất chuyển đổi những thuật toán xử lý ảnh và thông tin hình tập

trung thành những liên kết nhiệm vụ phân tán trong một mạng phân tán

thực sự của các thiết bị nhúng đáp ứng thời gian thực.

- Đề xuất sử dụng framework mềm dẻo cho phần mềm và sử dụng các

tác tử thông minh di động khi liên kết nhiệm vụ là những hướng đi

đúng khi phát triển ứng dụng cho các thiết bị nhúng.

- Đề xuất sử dụng cấu trúc lưu trữ trong hệ thiết bị nhúng phân tán với

hai lớp trong suốt đối với ứng dụng và người dùng cho bài toán lưu trữ

và tra cứu dữ liệu hình.

- Đề xuất sử dụng phương pháp truyền thông vô tuyến phi cấu trúc cho

hệ thống giám sát an ninh trong các trường hợp khẩn cấp và đặc biệt.

Từ bài toán CB1 có thể dễ dàng phát triển thành các bài toán tương tự

giải quyết được những vấn đề phức tạp hơn. Bài toán CB2 là khuôn mẫu và ví

dụ cho việc xây dựng các hệ thống lưu trữ nhúng phân tán khác.

Các ứng dụng, nghiên cứu trong SCN có thể tái sử dụng và phát triển

cho các hệ thống đa phương tiện phân tán khác ví dụ như Smart Audio

Network, hay tổng quát hơn ví dụ như Smart Sensor Network.

11

Bố cục

Chương 2 nêu Giới hạn hệ thống; các vấn đề và định hướng chọn lựa

kiến trúc phần cứng và phần mềm cho các SC là các phần tử cơ bản của hệ

thống SCN.

Chương 3,4,5,6 là các chủ đề cơ bản nhất trong hệ thống SCN là vấn đề

đánh địa chỉ SC, vấn đề đồng bộ bộ đếm, vấn đề định tuyến, vấn đề an ninh

truyền thông trong SCN. Những chủ đề này là cơ sở và có tác động đến mô

hình và giải pháp cho hai bài toán CB1 và CB2 được giải quyết trong chương

7 và 8.

Phần cuối cùng là kết luận và những hướng nghiên cứu tiếp theo khi

phát triển hệ thống tương tự và kế thừa SCN.

12

Chương 2 : MÔ HÌNH THIẾT KẾ SC & SCN

Hệ thống SCN được xây dựng dựa trên nền tảng là các SmartCamera

(SC) phân tán và truyền thông không dây ngang hàng (ad-hoc) giữa chúng.

- Mỗi SC là một hệ thống nhúng có đáp ứng thời gian thực RTES⁴.

- Truyền thông trong SCN sử dụng chuẩn 802.11⁵.

Trong những ứng dụng, hoàn cảnh cụ thể, một SC bình thường có thể

hoạt động ở các chế độ khác nhau và hiện diện trong hệ thống như là một thiết

bị khác.

- BS Điểm gắn kết với người dùng, tương tác với hệ thống khác hoặc từ

đó là nguồn phát sinh điều khiển, dịch vụ thu thập số liệu.

- Proxy Điểm trung gian giữa BS và các SC khác hoạt động như một

Router, Data Proxy, RBS ...

- active_SC Hoạt động ở chế độ bình thường, có xử lý cả hình ảnh và

truyền thông.

- sleep_SC Hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng, giảm tải xử lý và

truyền thông.

2.1 ĐỊNH HƯỚNG THIẾT KẾ SCN

Khi lựa chọn kiến trúc phần cứng và phần mềm cho SC trong SCN cần

tuân thủ các định hướng thiết kế sau: hướng mở, theo nhu cầu, hướng động và

mạnh mẽ.

4

Các SC được chọn phải đủ nhỏ; tối ưu năng lượng để có thể hoạt động mà không cần thiết bị cấp nguồn

ngoài trong một khoảng thời gian nhất định; không bắt buộc phải cố định và khung nhìn giám sát có thể thay

đổi PTZ tùy ý hoặc theo ứng dụng.

⁵Trong trường hợp một nhóm các SC được kết nối bởi một phương thức truyền thông tốc độ cao, hướng cấu

trúc thì nhóm SC đó được coi như là một SC đặc biệt trong hệ thống và các SC khác giao tiếp với nhóm SC

đó như một SC độc lập, phân biệt với s_clu, microcluster.

Trong hệ thống có thể tại một thời điểm hay một phạm vi nhất định hoặc một ứng dụng nhất định có tồn tại

điểm truy nhập tập trung AP ví dụ như vệ tinh địa tĩnh, cluster AP tuy nhiên các ứng dụng được xây dựng

nhằm đảm bảo phụ thuộc ít nhất vào các AP trên khi hoạt động.

13

ON DEMAND

DYNAMIC

ROBUSTNESS

OPENNESS

Hình 3. Định hướng thiết kế SCN

Phục vụ theo nhu cầu - on demand

Khác với hướng tiếp cận của các hệ thống trước, các thông tin và dữ

liệu hình được tập trung về trung tâm, và sẽ phân phối thông tin, tham chiếu

đến những người dùng quan tâm.

Trong SCN với mỗi người dùng, mỗi ngữ cảnh, hệ thống sẽ có đáp ứng

thích hợp. Định hướng này còn góp phần đảm bảo đáp ứng thời gian thực của

hệ thống. Việc chia các nhiệm vụ giám sát theo các mức QoS khác nhau, và

điều chỉnh mức QoS của ứng dụng tùy theo nhu cầu, sự kiện sẽ đảm bảo hệ

thống luôn trong tầm kiểm soát của tải xử lý, tải truyền thông.

Khái niệm on-demand sẽ xuất hiện trong nhiều vấn đề của hệ thống

SCN, ví dụ như:

- Routing on-demand Định tuyến theo nhu cầu.

- TimeSync on-demand Đồng bộ thời gian theo nhu cầu.

- Video on-demand Phát hình theo nhu cầu.

Hướng động - dynamic

Đây là một đặc tính chung thường gặp ở các hệ phân tán. Đặc tính này

giúp SCN có khả năng tái cấu trúc khi có sự cố hoặc nhằm thích nghi với ứng

dụng, môi trường.

14

Tính hướng động cần được đề cao trong tất cả các vấn đề trong SCN, ví

dụ như:

- Dynamic Routing. đảm bảo việc truyền thông tốt trong các điều kiện

hoạt động khác nhau của hệ thống, thích nghi tốt với mô hình mạng

không hướng cấu trúc như SCN.

- Address-Free Naming Architecture. đảm bảo địa chỉ đơn nhất cho

thiết bị trong phạm vi ứng dụng nhưng vẫn hỗ trợ tăng tốc tìm kiếm

thiết bị dù không tồn tại một điểm tập trung và phân phối thông tin

trong SCN.

- Dynamic Task Distribution. đảm bảo các nhiệm vụ giám sát được

truyền tải và chuyển giao tự động giữa các SC trong SCN mà không

cần điểm tập trung và phân phối thông tin điều khiển.

Hướng mở - openness

Hệ thống SCN phải là hệ thống hướng mở hoàn toàn. Dĩ nhiên, khi

thiết kế SCN và tuân thủ định hướng on-demand và dynamic thì hệ thống đã

đảm bảo được tính thích nghi và khả mở. Tuy nhiên định hướng mở cần được

tách riêng để lưu ý người thiết kế rằng SCN cần đảm bảo hỗ trợ khả năng lai

ghép với các hệ thống khác. Các hệ thống đó không bắt buộc phải là SCN mà

có thể là những hệ multimedia hoặc những hệ thu thập số liệu khác.

Mạnh mẽ - robustness

Điểm yếu của các hệ thống cũ là năng lực tính toán của hệ thống tập

trung hoàn toàn tại trung tâm điều khiển và hầu như là cố định nếu như không

có sự nâng cấp về thiết bị. Một hệ thống đã được thiết kế cho 100 camera sẽ

gặp vấn đề về xử lý khi có bổ sung thêm 1000, 10000 camera.

Hệ thống SCN được xây dựng trên cơ sở phân tải tính toán, lưu trữ sẽ

giải quyết vấn đề này chọn vẹn, đảm bảo nếu có gia tăng về số lượng điểm

15

tham gia hệ thống, số lượng nhiệm vụ giám sát thì vẫn kiểm soát được tài

nguyên và hiệu năng chung của hệ.

Sau đây là các kiến trúc điển hình của phần cứng và phần mềm của một

SC trong SCN.

2.2 KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG VÀ KHỐI CHỨC NĂNG CỦA MỘT SC

Tại những hệ thống tương tự SCN, người ta thường chia SC thành ba

khối là cảm biến, xử lý và truyền thông.

- Sensor Unit Thu thập các dữ liệu hình

- Processing Unit Thực thi các tác vụ và xuất lệnh điều khiển camera

- Communication Unit Trao đổi thông tin giữa các SC với nhau, với hệ

thống khác bao gồm cả dữ liệu và thông tin điều khiển.

Hình 4. Sơ đồ khối chức năng phần cứng trong SC

Hình 5 là sơ đồ khối kiến trúc phần cứng một SC với hạt nhân là DSP

TMS320C6415T và đánh giá mức tiêu thụ năng lượng trung bình của SC đó.

16

Hình 5. Kiến trúc phần cứng và đánh giá mức tiêu thụ năng lượng một SC

Dưới đây là các khối chức năng của SC như trong hình 5.

Khối cảm biến

Trung tâm của khối cảm biến là cảm biến hình CMOS với giao tiếp

FPGA là giao diện chung với khối xử lý. Tuy phần lớn cảm biến hình có phân

giải lên đến 12 bit điểm, nhưng khi qua FPGA giảm xuống còn 8 bit. FPGA

truyền dữ liệu đến khối xử lý thông qua vùng nhớ đệm FIFO. Ngoài ra còn có

các thông số khác được quyết định bởi khối cảm biến là:

- dynamic range vùng động, trong các ứng dụng đòi hỏi chất lượng ảnh

cao, khử mờ cùng với sự thích nghi với sự thay đổi của điều kiện chiếu

sáng thì cần có các cảm biến hình ảnh xử lý chất lượng cao.

- resolution & frame rate độ phân giải và tốc độ truyền khung hình,

nhiều cảm biến hình chỉ xuất những khung hình nhỏ chất lượng thấp

CIF hay QCIF. Những định dạng này chỉ phù hợp với thiết bị monitor

là điện thoại hoặc PDA. Có nhiều ứng dụng đòi hỏi độ phân giải cao

hơn ví dụ như PAL (720x576 điểm). Phần lớn các thuật toán xử lý

thường gặp dụng ảnh đầu vào là ảnh đa mức xám tuy nhiên với BS thì

ảnh mầu vẫn là ưu tiên hơn trong trường hợp xuất trình diễn cho người

giám sát. Tốc độ truyền khung tối đa cũng là một thông số rất quan

trọng, thường thì 2 fps là có thể đáp ứng được cho việc theo dõi giám

sát an ninh.

17

- digital interface giao tiếp số, trong các cảm biến hình có bao gồm bộ

khuếch đại tương tự và các biến đổi ADC.

Khối xử lý

Do đặc thù công việc xử lý dòng dữ liệu hình cùng với yêu cầu tối ưu

năng lượng nên DSP là chọn lựa hợp lý cho hạt nhân của hệ thống⁶. Một vài

tác vụ đặc thù có thể xử lý trực tiếp trong khối xử lý đơn lẻ trên như nén hình,

phân tích hình, tính toán đơn, điều khiển camera và các ứng dụng.

Khối xử lý giao tiếp với khối truyền thông qua bus, ví dụ bus PCI chạy

ở xung nhịp 133MHz.

Khối truyền thông

Khối truyền thông đảm nhận việc trao đổi thông tin giữa SC với thế

giới ngoài. Tổng quát thì việc truyền thông trong SC gồm có hai phần.

- Nội truyền thông giao tiếp với khối xử lý thông qua bus PCI, giao tiếp

với khối lưu trữ qua các kênh DMA trực tiếp và vùng đệm.

- Ngoại truyền thông thiết lập các kênh giao tiếp như Ethernet, wireless

LAN hay GPRS.

Để tăng hiệu năng và phân tách chức năng, trong SC có sử dụng bộ xử

lý mạng chuyên dụng⁷. Đây là bộ xử lý hiệu năng cao dạng System on Chip

(SoC) cung cấp được tất cả các giao diện cần thiết như Ethernet, USB và cổng

tuần tự. GSM/GPRS được đáp ứng bởi mô đun WaveCom kết nối với cổng

tuần tự của bộ xử lý trên. Các giao diện khác như UMTS, IDE, WLAN được

tích hợp chung bởi bus PCI, USB hoặc cổng tuần tự.

2.3 KIẾN TRÚC PHẦN MỀM TRONG SC

Kiến trúc phần mềm trong SC được xây dựng dựa trên kiến trúc phần

cứng, tuy nhiên nhằm phục vụ cho các ứng dụng khác nhau, tránh để người

⁶DSP TMS320-C6415T có 1 Mb bộ nhớ và đạt đến 8000 MIPS với xung nhịp 1GHz.

⁷Intel XScale IXP422 có bộ nhớ 256 Mb và chạy ở tốc độ 533 MHz.

18

phát triển can thiệp quá sâu vào phần cứng hệ thống nên các đặc tả phần mềm

đều cố gắng phát huy khả năng trừu tượng hóa các giao tiếp ứng dụng API.

API giúp người phát triển tập trung vào nhiệm vụ chính mà không mất nhiều

thời gian cho những vấn đề hiện thực cụ thể. Ví dụ như phát triển hàm

GetVideo() toàn năng giúp người lập trình truy nhập nhiều nguồn video khác

nhau (có khác biệt về cách thực hiện) mà không phải thay đổi bất kỳ dòng

lệnh chương trình nào.

Trong một SC cụ thể, kiến trúc phần mềm được thiết kế nhằm đảm bảo

tính mềm dẻo, linh động và hiệu năng cao [DESC_06]. Cũng như kiến trúc

phần cứng, tương ứng kiến trúc phần mềm gồm có 2 phần.

- DSP Framework (DSP-FW): hỗ trợ cho các DSP và cung cấp môi

trường ứng dụng cho các tác vụ thuật toán cũng như đặc tả phần cứng

và quản lý tài nguyên để tái cấu hình và khả chuyển.

- SmartCam Framework (SC-FW): hỗ trợ bộ xử lý mạng và đóng vai trò

cầu nối giữa các DSP và cung cấp truy nhập thế giới ngoài. Thêm vào

đó, SC-FW còn thu thập các thông tin trạng thái của DSP được cung

cấp bởi DSP-FW.

19

Hình 6. Kiến trúc phần mềm trong SC điển hình

DSP-FW

DSP-FW được xây dựng dựa trên DSP/BIOS, một hệ điều hành thời

gian thực được cung cấp bởi Texas Instruments (TI), nó cung cấp các tác vụ

bắt tay tĩnh, đồng bộ và đối tượng truyền thông, lớp giao tiếp phần cứng cơ

bản như là một phần của chip-support library (CSL). DSP-FW cung cấp môi

trường hoạt động cho các chức năng của hệ điều hành và các chức năng

chuyển tiếp mức thấp.

Trong trường hợp kích hoạt hoặc tái cấu hình phần mềm DSP, chỉ các

trình điều khiển và các chức năng cần thiết để bắt đầu DSP được lưu trong lớp

trình điều khiển thiết bị cơ sở. Các trình điều khiển này liên kết với hạt nhân

của hệ điều hành DSP/BIOS. Do vậy, không cần nâng cấp hay thay thế mô

đun này khi sử dụng.

Tuy nhiên, hệ truyền thông điệp và tải hướng động tạo nên mức thấp

nhất của hệ thống và là phần chính của lớp trình điều khiển cơ sở.

- Basic Driver

20

o Messaging là trái tim của hệ thống truyền thông các DSP. Nhằm

tiếp cận các kênh truyền thông, việc trao đổi dữ liệu và luồng

điều khiển giữa các tác vụ được đảm nhận bởi hệ truyền thông

điệp. Phụ thuộc vào đích đến, thông điệp có thể chuyển đến cùng

DSP hay theo PCI đến DSP khác hoặc Bộ xử lý mạng. Khi thiết

kế hệ thống truyền thông điệp cần bám sát kênh truyền thông và

đạt hiệu năng cao nhằm tránh sụt giảm hiệu năng bởi tốc độ

truyền dữ liệu thấp.

o Dynamic Loading Nhằm việc chuyển đổi qua lại giữa các ứng

dụng hiện chưa sẵn sàng, hệ thống cần tạm dừng, tải về mã

chương trình mới và hệ thống mới được bắt đầu. Tuy nhiên việc

này thừa hưởng sự mềm dẻo của hệ thống bởi việc tải và gỡ bỏ

ứng dụng, trình điều khiển ngay khi đang hoạt động. Do vậy mô

đun tải động được tích hợp vào trong DSP-FW. Dynamic loader

nằm trong lớp lõi và liên kết với hệ truyền thông điệp đến PCI và

tích hợp trực tuyến với phần mềm ứng dụng đang hoạt động. Để

tăng cường khả năng tái cấu hình, mọi mô đun trừ mô đun cấp

thấp được tải động khi bắt đầu, hoặc theo yêu cầu. Bởi cách này

dịch vụ hoặc ứng dụng có thể tải về, gỡ bỏ hoặc thay thế ngay

khi đang hoạt động.

- Optional Driver Các trình điều khiển phần cứng không cần thiết trong

quá trình khởi động được tải động khi có nhu cầu. Những trình này

gồm có trình điều khiển cảm biến hình, trình điều khiển âm thanh, trình

điều khiển video tương tự phải tuân theo giao diện chương trình DSP-

FW.

21

- Services Layer Bao gồm một vài mô đun (dịch vụ) nhằm đáp ứng các

mục đích theo dõi và định vị tài nguyên, dữ liệu phân tán và các thuật

toán tích hợp theo chuẩn thuật toán do TI đề xuất.

o Resource Management: việc quản lý các tài nguyên mức thấp

như các kênh DMA, ngắt DMA và ngắt phần cứng bởi CSL như

là một phần của DSP/BIOS. Tính toán thời gian thực dữ liệu hình

yêu cầu khối lượng lớn dữ liệu truyền nhận do đó mức sử dụng

DMA là cao. Vì thế một trong những tác vụ của quản lý tài

nghiên là giám sát lưu thông của các kênh và ngắt DMA.

o Data Services: khối dịch vụ dịch vụ cung cấp các dịch vụ

publisher/ subscriber cho các trình điều khiển thiết bị phần cứng

và ứng dụng. Đây là cách một client có thể xuất trình dữ liệu

hoặc chính bản thân nó như là dữ liệu ẩn dấu một cách tách biệt.

Do các dịch vụ dữ liệu nằm ngay trong mỗi DSP nên dữ liệu ban

bố có thể được yêu cầu từ mọi DSP trong SC. Do đó, các ứng

dụng yêu cầu dữ liệu nhập hoặc cung cấp dữ liệu cho vùng dữ

liệu từ các dịch vụ dữ liệu thay vì trình điều khiển thiết bị phần

cứng. Ứng dụng đăng ký như là một dịch vụ thành phần và các

dịch vụ dữ liệu thiết lập kết nối với nguồn dữ liệu và cung cấp

cho thuê bao dữ liệu được yêu cầu.

o Extended RF-5: nhằm chuẩn hóa giao diện các ứng dụng Texas

Instruments cung cấp Reference Framework 5 (RF5), ở đó định

nghĩa cách mà các ứng dụng cho phép truy vấn tài nguyên như

thế nào và các ứng dụng có thể sử dụng bộ nhớ như thế nào. Do

đó, DSP-FW cung cấp giao diện và phương thức để hỗ trợ các

ứng dụng tương thích RF5. Tuy nhiên RF5 chỉ định nghĩa những

22

cấu hình tĩnh. Vì vậy những ứng dụng này cần được gắn nối vào

khung ứng dụng DSP-FW để có thể tải động.

- Application Layer các ứng dụng thực thi trên đỉnh của các lớp được mô

tả. Các ứng dụng có thể thực thi trên các mã tương thích SC bởi việc

dùng kỹ thuật trừu tượng hóa phần cứng. Nhằm hỗ trợ việc chuyển đổi

các ứng dụng giữa các DSP và SC, mọi ứng dụng phải hỗ trợ việc tuần

tự hóa dữ liệu tức thời. Với cách này các ứng dụng có thể tái thực thi

trên DSP khác bởi việc tải dữ liệu tuần tự hóa trước đó và tiếp tục quá

trình tính toán.

Các ứng dụng có thể đơn thuần được xây dựng từ các thuật toán, ví dụ

như trong hình 6 là các đoạn thuật toán motion detection, mpeg-4 encoder,

vehicle detection.

Khi phát triển ứng dụng các thuật toán trên tương ứng với các chế độ

hoạt động khác nhau để đảm bảo QoS chung của hệ thống do tầm quan trọng

của các ứng dụng này tại các thời điểm là khác nhau.

SC-FW

SC-FW là thành phần quan trọng thứ hai trong kiến trúc phần mềm của

SC. SC-FW chạy trên bộ xử lý mạng, được điều hành bởi Linux. SC-FW đáp

ứng cho việc quản trị và đồng bộ các DSP cũng như truyền thông điệp giữa

các DSP và giữa bộ xử lý mạng với DSP. Một SC-FW được coi là có 3 lớp

gồm:

- DSP kernel module theo kiến trúc Linux, mô đun hạt nhân DSP chỉ

cung cấp các chức năng cơ bản nhằm giữ cho hạt nhân của hệ điều

hành nhỏ và hoạt động nhanh. Tuy nhiên để cung cấp các chức năng

yêu cầu cho DSP-FW và các ứng dụng, thì mô đun hạt nhân DSP được

chia thành ba khối chức năng.

23

o DSP Services trong hệ thống đa xử lý, nó thường đảm bảo các

truy nhập qua lại đến các bộ xử lý. Do đó mô đun hạt nhân DSP

cung cấp một giao diện truyền thông điệp cho các DSP nhằm bật

chế độ khóa hay mở khóa các bộ xử lý để gán truy nhập đến bộ

xử lý đó. Để đáp ứng tốc độ truyền dữ liệu cao, mô đun hạt nhân

DSP còn quản lý truy nhập tài nguyên DMA của các DSP.

o Low-Level Routines quá trình truyền thông với các DSP đơn giản

được nhìn nhận như là trao đổi vùng nhớ. Do đó mô đun hạt

nhân cung cấp phương thức đọc và ghi vùng nhớ trong các DSP.

Thêm vào đó, mô đun hạt nhân cung cấp thông tin đến các DSP

và ứng dụng về số lượng DSP, các đặc trưng và các chức năng để

khởi tạo hoặc reset DSP.

o Message Pre-Dispatch Nhằm truyền thông điệp hiệu quả giữa

các ứng dụng và DSP, mô đun hạt nhân truyền thông điệp đến từ

các DSP đến nhóm các ứng dụng, nơi mà cuối cùng sẽ truyền

đến ứng dụng đăng ký cần nhận.

- DSP Access Library (DSPlib) bổ sung các đặc tả phần cứng và chức

năng truyền thông cho lớp kernel-mode. DSPlib cung cấp giao diện

mức cao cho các ứng dụng để tương tác với DSP. Các chức năng của

DSPlib bao gồm hệ thống xuất bản/đăng ký thông điệp, điều này cho

phép các ứng dụng đăng ký các thông điệp được nhận và gửi đi từ thư

viện truy nhập DSP. Thêm vào đó, việc quản lý các ứng dụng tải động

bao gồm việc giám sát và điều khiển (bắt đầu/ dừng) các tác vụ cũng là

một phần của thư viện này.

- Applications các ứng dụng tương tác với các DSP bằng cách sử dụng

thư viện truy nhập DSP. SC-FW bao gồm tập các ứng dụng nhằm hỗ

24

trợ DSP-FW, điều khiển và giám sát các DSP và mô đun hạt nhân DSP.

Gồm có

o Dịch vụ cầu nối: nghe ngóng các thông báo dịch vụ từ quản lý

dịch vụ và chuyển tiếp yêu cầu nhận được đến đúng quản lý dịch

vụ cần thiết.

o Thành phần giám sát hiệu năng: thu thập các thông tin hiện trạng

của các DSP và bộ xử lý mạng.

o Công cụ quản trị các mô đun tải động.

2.4 TỔNG KẾT VÀ BÀN LUẬN

Chương 2 nêu những giới hạn và định hướng thiết kế SCN, phân tích

các khối chức năng phần cứng và phần mềm trong một SC điển hình.

Chỉ với 4 định hướng thiết kế đã nêu, gồm on-demand, dynamic,

openness, robustness đã đảm bảo hệ thống SCN sẽ có nhiều điểm ưu việt hơn

các hệ thống trước, tuy nhiên việc tuân thủ các định hướng này là không dễ

dàng do các rào cản về công nghệ và lớp bài toán các nhiệm vụ giám sát là rất

đa dạng và phức tạp.

Trong kiến trúc phần cứng của SC phần 2.3 chưa đề cập đến một bổ

sung quan trọng và hữu dụng là khối lưu trữ. Việc bổ sung những thiết bị lưu

trữ Flash dung lượng rất lớn cỡ 1 Gb, 4 Gb, thậm chí 16 Gb cho các SC là

hoàn toàn khả thi và trong mức kinh phí chấp nhận được mà lại mang đến rất

nhiều lợi ích cho hệ thống SCN. Nếu như trong khối xử lý xuất hiện nhiều

DSP thì tại khối cảm biến đã có những đề xuất sử dụng hai cảm biến hình

phục vụ cho những ứng dụng chuyên biệt hoặc những hệ ống kính khác nhau.

Tuy nhiên những thay đổi thuần túy về số lượng này không ảnh hưởng

đến khuôn mẫu framework khi xây dựng phần mềm ứng dụng. Hiện nay, kiến

trúc phần mềm đã nêu với DSP-FW và SC-FW vẫn đang là khuôn mẫu khi

25

thiết kế các SC. Cùng với sự phát triển của các vi xử lý, các firmware và

framework mới cũng không ngừng được các nhà sản xuất đưa ra theo hướng

đa nhân, đa ứng dụng và tăng cường hiệu năng trên cùng mức tiêu thụ năng

lượng (định luật Moore mở rộng). Tại thời điểm hiện nay, kiến trúc mới nhất

là công nghệ DaVinci cùng với OS MontaVista do TexasInstrument phát

triển⁸. DaVinci Framework mạng đến nhiều cải thiện cho người lập trình ứng

dụng bởi khả năng trừu tượng hóa thông qua các giao tiếp ứng dụng API

[PCW_06].

⁸TMS320DM6443 dùng cho ứng dụng giải mã video và TMS320DM6446 nhắm đến các ứng dụng chuyển

mã video.

26

CHƯƠNG 3 : KIẾN TRÚC ĐÁNH ĐỊA CHỈ TỰ DO TRONG

SCN

Như là một tín đồ của mạng IP, việc đánh địa chỉ các SC dựa trên dải

địa chỉ IPv4 hay IPv6 là điều được nghĩ đến đầu tiên khi tiếp cận vấn đề này.

Nguyên do là sự xuất hiện của BS trong SCN có thể coi như là gốc của dải địa

chỉ IP trong lớp. Bên cạnh đó kiến trúc sử dụng TCP/IP còn cho phép có thể

tác động trực tiếp đến từng SC thông qua địa chỉ toàn cục. [TCP_04]

Hình 7. Cách đánh địa chỉ IP theo vị trí SC

Hình 7 là một ví dụ về việc gán địa chỉ IP cho mạng dựa vào vị trí

không gian của nút. Địa chỉ của mỗi SC được cấu thành từ tọa độ (x,y) của nó

và coi như là 2 octet thấp của địa chỉ IP.

SC C(2,3) có địa chỉ là 10.0.2.3. Như vậy có nghĩa là thông tin vị trí

của SC đã được mã hóa vào trong địa chỉ IP. Do vậy việc phân miền con

trong mạng cũng dễ dàng thông qua việc subneting dải địa chỉ 10.0.0.0/8.

Như trong hình thì A(0,2) và C(2,3) được xếp vào cùng subnet

10.0.0.0/255.255.252.252. Subnet này dễ dàng cho việc kiểm soát các gói tin

quảng bá trong miền trên.

Các giao diện mạng của khối truyền thông trong SC đã được định sẵn

địa chỉ MAC từ nhà sản xuất. Kỹ thuật này cho phép ánh xạ qua lại giữa địa

chỉ MAC và địa chỉ IP.

27

Thoạt nhìn, kỹ thuật này tạo cảm giác là có thể dễ dàng đánh địa chỉ

các nút SC dựa trên địa chỉ IP và tận dụng được những ưu điểm của truyền

thông gói tin có IP header. Tuy nhiên kỹ thuật này không hiệu quả trong

SCN.

Thứ nhất, SCN là hệ thống của các SC có quan hệ không gian thực 3D,

trong khi lưới IP là 2D. do vậy khi phẳng hóa không đảm bảo tại một vị trí

trong lưới chỉ có một SC.

Thứ hai, các SC trong SCN không bắt buộc phải có thiết vị cố định.

Trong trường hợp SC dịch chuyển giữa các vùng thì địa chỉ IP của nó cũng

thay đổi theo dẫn đến khả năng xung đột địa chỉ hoặc phải cập nhật lại địa chỉ

SC đó cho các SC có liên quan.

Thứ ba, nếu chọn thang chia không tốt sẽ dẫn đến dư thừa dải địa chỉ

hoặc có quá nhiều SC trong cùng subnet.

Thứ tư, hệ thống SCN là dynamic và on-demand do vậy một địa chỉ

toàn cục trong toàn hệ thống là không cần thiết trong nhiều trường hợp. Việc

truyền thông giữa hai SC ở tương đối xa nhau là không thường xuyên nên

không cần chúng phải biết được địa chỉ toàn cục và subnet của nhau để làm

gì.

Cuối cùng, với mô hình trên, hệ thống coi như là chỉ có một BS quản lý

10.0.0.0. Việc bổ sung hay chuyển biến SC thành BS gây ảnh hưởng đến toàn

hệ thống.

Do vậy tôi đề xuất giải pháp cho nhiệm vụ đánh địa chỉ SC trong SCN

là chọn lựa một trong hai phương pháp là:

- Sử dụng phương pháp cấu hình Zeroconf cho các mạng quy mô nhỏ và

ít biến động.

- Phương pháp sử dụng địa chỉ cục bộ và đánh địa chỉ tự do kiến trúc

AFA. Nền tảng của kỹ thuật này là thay vì các địa chỉ tuyệt đối và toàn

28

cục được cung cấp trực tiếp cho ứng dụng thì sẽ qua một bước trung

gian là biến đổi thành địa chỉ tự do.

3.1 ZEROCONF

Zeroconf được đề xuất áp dụng nhằm tăng tính dễ sử dụng cho các thiết

bị mạng dựa trên công nghệ IP.

Các sản phẩm có hỗ trợ Zeroconf hiện nay vẫn còn trong giai đoạn phát

triển. Tuy nhiên, có hai lợi điểm của giải pháp này là có thể sử dụng mã

nguồn mở để phát triển thêm tính năng Zeroconf cho các sản phẩm hiện tại và

các chip nhúng ngày nay cũng có thể bổ sung thêm chức năng Zeroconf bằng

cách cập nhật lại firmware.

Triển khai Zeroconf trong SCN

Nhìn nhận SC như một thiết bị mạng IP thông thường, việc triển khai

Zeroconf không phải là một công nghệ mới mà là một kỹ thuật liên kết ba

công nghệ hiện có để tạo nên. Zeroconf bao gồm công nghệ đánh địa chỉ liên

kết cục bộ, multicast DNS (mDNS) và phát hiện dịch vụ thông qua DNS

[ZERO_01].

Zeroconf sử dụng phương pháp đặt địa chỉ liên kết cục bộ để thiết lập

địa chỉ⁹. Tuy nhiên còn có một ràng buộc khác là SCN sử dụng truyền thông

ad-hoc như là giải pháp chính để trao đổi thông tin, nên việc gói tin ARP

chậm có phản hồi do phải đi qua nhiều hop là có thể xảy ra. Vì vậy giới hạn

số lượng SC là dưới 100 là hợp lý trong SCN khi sử dụng giải pháp này.

⁹Theo RFC3927 thì link-local address là: "Cấp IP trong khoảng 169.254.1.0 đến 169.254.254.255. Nó được

dùng để gán địa chỉ IP cho thiết bị trong mạng IP mà không có một phương thức gán nào được sử dụng trước

đó, ví dụ như DHCP server. Sau khi chọn ngẫu nhiên một địa chỉ, một gói tin ARP với IP đó sẽ được truyền

đi trong mạng để kiểm tra xem nó đã tồn tại chưa. Nếu không có phản hồi thì IP đó được gán cho thiết bị,

bằng không một IP khác được lựa chọn và lặp lại quá trình gửi ARP".

Cũng theo RFC 3927 thì Không gian địa chỉ này dùng tốt cho các mạng có số lượng đến 100, Khi quy mô lên

đến 1000 thiết bị thì phương thức này vẫn làm việc tốt. Nguyên nhân là do nếu trong mạng có đến 1000 thiết

bị thì máy của chúng ta vẫn có 98% cơ hội chọn được địa chỉ trống trong lần đầu tiên, và có đến 99,96% cơ

hội cho lần thứ hai. Và xác suất khả năng chọn 10 lần mà không tìm được địa chỉ là 1 trong 10¹⁷.

29

Zeroconf sử dụng mDNS thay thế cho DNS khi dịch vụ này không tồn

tại trong mạng¹⁰. Để phân biệt các tên miền cục bộ so với các tên miền đã tồn

tại khác, Zeroconf cung cấp một tên miền cấp cao giả có tên là .local¹¹. Quy

tắc đặt tên đề nghị là chọn một tên sao cho đó có thể là mã tổng hợp hoặc gợi

nhớ đến chức năng của các SC đó trong mạng (ví dụ tên nhiệm vụ giám sát có

QoS cao nhất trong tại SC đó hoặc góc hướng, số hop truyền đến BS).

Cơ chế tìm kiếm các tên trong nhóm .local luôn là multicast. Các SC có

thể chọn cơ chế multicast để truy vấn trực tiếp đến các thiết bị có tên tương

ứng. Các thiết bị giao tiếp ngang hàng với nhau và điểm đặc biệt là vẫn có thể

truy cập đến một thiết bị dựa trên tên đã đặt ngầm định cho nó trước đó¹².

Họ giao thức DNS có định nghĩa một số dạng câu truy vấn để dành

cung cấp thông tin cho các dịch vụ chạy trên đó có tên gọi là SRV. Việc bổ

sung thông tin này cho phép chúng ta tìm kiếm nhanh về các dịch vụ hiện có

trên mạng.

Ví dụ thông tin về dịch vụ web có dạng như sau

_http._tcp.example.com thay vì sử dụng một tên giả cho dịch vụ này như là

www.example.com. Phần _tcp trong tên chỉ ra đó là dịch vụ này chạy trên giao

thức TCP, không phải UDP. Việc thêm giao thức vận chuyển vào tên giúp

cho chúng ta xác định được lưu lượng yêu cầu và và các chính sách về cân

bằng tải thích hợp.

¹⁰Các thiết bị có hỗ trợ mDNS sẽ liên lạc với nhau thông qua tên tham chiếu của chúng. Về cơ bản, triển khai

mDNS giống như cơ chế thiết lập địa chỉ liên kết cục bộ, đầu tiên mDNS sẽ chọn một tên và truy vấn trong

mạng cho đến khi không còn sự xung đột thì lấy tên này làm tên thiết bị.

¹¹Giống như giá trị địa chỉ 169.254. là các địa chỉ cục bộ và không phải là địa chỉ duy nhất, tên miền thuộc

miền .local cũng chỉ mang ý nghĩa cục bộ. Điểm thuận lợi của các tên miền này là không cần phải có host

đứng ra phân phối. Tuy nhiên, cũng chính vì điều này mà một SC không có quyền chiếm giữ một tên nào tùy

thích và không cho SC khác sử dụng nó, nhưng nó cũng bao gồm một vài quy tắc cho phép các thiết bị phát

hiện ra sự xung đột khi mà có hai thiết bị trùng tên tại cùng một thời điểm.

¹²Bất cứ truy vấn nào kết thúc bằng .local đều gửi đến địa chỉ 224.0.0.251 là địa chỉ IPv4 dành riêng cho

mDNS. Các yêu cầu được gửi đến địa chỉ này và nếu thiết bị nào trùng tên với tên yêu cầu thì sẽ trả lời thông

tin phản hồi cho phía gửi.Các truy vấn mDNS gồm có ba loại là: một câu truy vấn có một câu trả lời, một câu

truy vấn có nhiều câu trả lời và câu truy vấn liên tục.

30

Tóm lại, Zeroconf cung cấp cho các thiết bị phần cứng và phần mềm

các chức năng sau:

- Chắc chắn có được một địa chỉ IP để liên lạc trong mạng IP.

- Khả năng phát hiện các dịch vụ tồn tại trong mạng.

- Quảng bá rộng rãi dịch vụ hiện có của thiết bị với các thiết bị khác.

Zeroconf không yêu cầu người lập trình hay các nhà sản xuất phần

cứng phải tuân theo một chuẩn các giao thức định trước hay là sử dụng các

kiểu dữ liệu định trước nào. Do Zeroconf là một giao thức ở mức tổng quát,

cung cấp cơ sở cho các ứng dụng dựa trên mạng IP hoạt động, nên khi áp

dụng cách đánh địa chỉ này trong SCN thì các vấn đề có liên quan như đồng

bộ, định tuyến, an ninh ... có thể áp dụng các thuật toán và ứng dụng tương tự

như của môi trường PC.

3.2 KIẾN TRÚC ĐÁNH ĐỊA CHỈ TỰ DO AFA

Trong nghiên cứu và công nghiệp, người ta đã phát triển nhiều lớp hệ

thống sử dụng cách đặt tên theo thuộc tính. Các kiểu đặt tên này thường là để

phục vụ định tuyến end-to-end, nên không hiệu quả và không tuân thủ với

định hướng thiết kế SCN. Do vậy kỹ thuật AFA¹³được đề xuất sử dụng cho

những hệ thống phân tán như SCN.

Hình 8. Mô hình hệ thống hướng sự kiện [CG_06]

¹³An Address Free Naming Architecture