Bài viết đề xuất giao thức định tuyến IMP-AODV cho mạng hình lưới không dây lai (HMN). Ý tưởng cơ bản của bài báo là đề xuất giải pháp nhằm giới hạn phạm vi quảng bá của các thông điệp tìm đường tới các nút mạng gần với vị trí của gateway ở Lớp 1 trong HMN, điều này sẽ làm giảm các thông điệp dư thừa và do vậy dẫn đến tăng hiệu năng của mạng HMN. Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm NS-2 đã cho thấy hiệu quả của giao thức IMP-AODV qua các độ đo hiệu năng về dư thừa số bản tin định tuyến và hiệu quả truyền dữ liệu (throughput). Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Định Tuyến Dựa Vào Vị Trí Của Gateway Trong
Mạng Hình Lưới Không Dây Lai
Đồng Duy Huy và Lê Anh Ngọc Khoa Điện Tử Viễn Thông, Đại Học Điện Lực
235 Hoàng Quốc Việt, Hà nội Email: duyhuy2906@gmail.com; anhngoc@epu.edu.vn
Abstract — Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất giao thức định
tuyến IMP-AODV cho mạng hình lưới không dây lai (HMN) Ý
tưởng cơ bản của bài báo là đề xuất giải pháp nhằm giới hạn
phạm vi quảng bá của các thông điệp tìm đường tới các nút mạng
gần với vị trí của gateway ở Lớp 1 trong HMN, điều này sẽ làm
giảm các thông điệp dư thừa và do vậy dẫn đến tăng hiệu năng
của mạng HMN Kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm NS-2 đã
cho thấy hiệu quả của giao thức IMP-AODV qua các độ đo hiệu
năng về dư thừa số bản tin định tuyến và hiệu quả truyền dữ liệu
(throughput)
Keywords – Hybrid WMN, AODV, routing
Mạng hình lưới không dây lai (HMN - Hybrid Mesh Networks)
là một mô hình truyền thông mới được thiết lập bởi các nút
mạng không dây kết nối với nhau theo dạng lưới [1,2]: Lớp 1
bao gồm mạng lưới các gateway cung cấp các kết nối tới mạng
Internet hoặc các mạng khác Lớp 2 bao gồm mạng lưới các các
thiết bị định tuyến không dây (mesh router) có thể cố định hoặc
ít di chuyển thực hiện chức năng chuyển tiếp tới các gateway ở
lớp 1 Lớp 3 là mạng lưới các thiết bị người dùng di động
(mesh client) có nhu cầu kết nối Internet hoặc các mạng khác
thông qua lớp 2 và lớp 3 (Hình 1)
Mesh client
Internet
Level 1
gateways
Level 2
backbone of mesh
routers
Level 3
mesh clients
Mesh clients connected in multi-hop Mesh client
Mesh router
IGW
Hình 1 Mạng hình lưới không dây lai (HMN)
Các mesh client và mesh router có thể liên kết không dây đa
chặng với nhau sử dụng các giao thức định tuyến tương tự như
trong mạng tùy biến không dây MANET [3,4] Trong đó giao
thức AODV [5] là một giao thức định tuyến theo yêu cầu đã
được nghiên cứu và phát triển rộng rãi Tuy nhiên, giao thức
AODV được thiết kế cho mạng có tính di động cao, trong
trường hợp mạng HMN là mạng có tính di động thấp (các mesh
router ít thay đổi) và có kết nối tới Internet hoặc các mạng khác
thì hiệu quả của giao thức này lại không cao do đặc tính quảng
bá trong quá trình khám phá tuyến
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Phần II giới thiệu tổng quan về vấn đề định tuyến trong mạng HMN Trong phần III, chúng tôi đề xuất giải pháp cải tiến định tuyến IMP-AODV cho mạng HMN Phần IV cung cấp các kết quả đánh giá hiệu năng của giao thức Cuối cùng, chúng tôi kết luận bài báo trong phần V
Vấn đề định tuyến trong mạng HMN gặp thách thức tương tự như trong mạng tùy biến không dây MANET [3,4]: các nút mạng mesh client, là các thiết bị người dùng như điện thoại thông minh, laptop, … luôn có xu hướng tự do chuyển động Các liên kết có thể bị phá vỡ hoặc khôi phục bất cứ lúc nào Ngoài ra, dải thông trong mạng không dây là thấp, các nút bị hạn chế bởi nguồn nuôi nên tổng lưu lượng dành cho định tuyến cần phải nhỏ Các giao thức định tuyến cho mạng MANET có thể được áp dụng cho HMN, được phân thành 3 nhóm [4]: định tuyến theo yêu cầu (Demand Driven), định tuyến theo bảng (Table Driven), định tuyến lai ghép (Hybrid Driven):
Định tuyến theo yêu cầu: Trong phương pháp định tuyến theo yêu cầu, các đường dẫn được tìm kiếm chỉ khi cần thiết, hoạt động tìm tuyến bao gồm cả thủ tục xác định tuyến Thủ tục tìm tuyến kết thúc khi một tuyến không được tìm thấy hoặc không có tuyến khả dụng sau khi xác minh toàn bộ tập hoán vị tuyến Trong mạng MANET, các tuyến hoạt động có thể ngừng
do tính di động của node Vì vậy, thông tin duy trì tuyến là tối quan trọng đối với các giao thức định tuyến theo yêu cầu So với các giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức định tuyến theo yêu cầu thường có tiêu đề trao đổi thông tin định tuyến nhỏ hơn Vì vậy, về mặt nguyên tắc, các giao thức này có khả năng mở rộng tốt hơn đối với các giao thức định tuyến theo bảng Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của các giao thức định tuyến theo yêu cầu là trễ do tìm kiếm tuyến trước khi chuyển tiếp thông tin dữ liệu Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm: giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing) [4], giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector routing) [5]
và giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thời TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm) [6]
Định tuyến theo bảng: Trong phương pháp định tuyến theo bảng, các node trong mạng MANET liên tục đánh giá các tuyến tới các node để duy trì tính tương thích, cập nhật của thông tin định tuyến Vì vậy, một node nguồn có thể đưa ra một đường dẫn định tuyến ngay lập tức khi cần Trong các giao thức định tuyến theo bảng, tất cả các node cần duy trì thông tin về cấu hình mạng Khi cấu hình mạng thay đổi, các cập nhật được truyền lan trong mạng nhằm thông báo sự thay đổi Hầu hết các
Trang 2giao thức định tuyến theo bảng đều kế thừa và sửa đổi đặc tính
tương thích từ các thuật toán chọn đường dẫn ngắn nhất trong
các mạng hữu tuyến truyền thống Các thuật toán định tuyến
theo bảng được sử dụng cho các node cập nhật trạng thái mạng
và duy trì tuyến bất kể có lưu lượng hay không Vì vậy, tiêu đề
thông tin để duy trì cấu hình mạng đối với các giao thức này
thường là lớn Một số giao thức định tuyến điển hình theo bảng
trong MANET gồm: định tuyến vector khoảng cách tuần tự
đích DSDV (Destination Sequence Distance Vector) [7], định
tuyến trạng thái tối ưu liên kết OLSR (Optimized Link State
Routing) [8]…
Định tuyến lai ghép: Các giao thức định tuyến lai ghép
được đề xuất để kết hợp các đặc tính ưu điểm của các giao thức
định tuyến theo bảng và theo yêu cầu Thông thường, các giao
thức định tuyến lai ghép MANET được sử dụng trong kiến trúc
phân cấp Các giao thức định tuyến theo bảng và theo yêu cầu
được triển khai trong các cấp thích hợp Một số ví dụ về giao
thức định tuyến lai ghép: giao thức định tuyến vùng ZRP (Zone
Routing Protocol) [9], giao thức định tuyến trạng thái liên kết
dựa trên vùng ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State
routing) [10] …
Trong rất nhiều các giao thức định tuyến đã được phát triển
cho mạng HMN, AODV là giao thức định tuyến được nghiên
cứu, phát triển và triển khai rộng rãi trong các ứng dụng thực tế
[5] Giao thức định tuyến AODV (Ad hoc Ondemand Distance
Vector) là giao thức được phát triển và ứng dụng cho mạng
MANET tự trị với topology mạng thay đổi thường xuyên
Trong môi trường mạng HMN với topology ít thay đổi (các
mesh router tương đối cố định) và kết nối với Internet hoặc các
mạng khác qua các gateway, hiệu quả của giao thức AODV
tương đối thấp do phạm vi quảng bá của các thông điệp tìm
đường là trên phạm vi toàn mạng Ý tưởng cơ bản của bài báo
là đề xuất phương pháp nhằm giới hạn phạm vi quảng bá của
các thông điệp tìm đường (Route Request), dựa trên cơ chế chỉ
quảng bá các thông điệp tìm đường tới các nút mạng gần với
gateway, điều này sẽ làm giảm các thông điệp dư thừa trong
mạng (overhead) và do vậy dẫn đến tăng hiệu năng của mạng
Giao thức Imp-AODV cải tiến giao thức định tuyến AODV với
việc bổ sung thêm pha khám phá gateway và khoảng cách từ
các nút tới gateway Bên cạnh đó, thuật toán khám phá tuyến
sẽ chỉ quảng bá các thông điệp tìm đường tới các nút gần (theo
khoảng cách) với gateway hơn, các nút có khoảng cách xa hơn
sẽ loại bỏ các thông điệp tìm đường nhận được, do vậy phạm
vi quảng bá sẽ được thu hẹp lại
Hình 2 Quá trình khám phá gateway và khoảng cách từ gateway
a Khám phá gateway và khoảng cách các nút tới gateway
Giao thức AODV sử dụng các thông điệp thăm dò (Hello
message) để xác định sự có mặt của các nút mạng lân cận
Trong Imp-AODV, các thông điệp này sẽ được sử dụng để
quảng bá các thông tin của gateway và khoảng cách từ gateway
tới các nút mạng trong HMN (hình 2) Mỗi nút mạng sẽ duy trì một biến HC để lưu trữ giá trị khoảng cách tới gateway, riêng nút Gateway sẽ có giá trị HC bằng 0
(a) Gửi thông điệp thăm dò (b) Nhận thông điệp thăm dò Hình 3 Thuật toán khám phá gateway và khoảng cách
của các nút mạng HMN Khởi đầu, gateway sẽ quảng bá thông điệp thăm dò (Hello) sửa đổi trong đó có giá trị cờ I-Flag dùng để đánh dấu thông điệp chứa thông tin từ gateway và giá trị biến HC của gateway dùng
để xác định khoảng cách từ gateway tới các nút mạng Khi các nút lân cận gateway nhận được thông điệp thăm dò này, dựa vào tính cập nhật thông tin dựa trên số thứ tự (sequence number) của thông điệp thăm dò, các nút đó sẽ tăng giá trị HC trong thông điệp nhận được lên 1 và lưu trữ vào giá trị biến HC của các nút (khoảng cách tới gateway) Sau đó các nút này lại tiếp tục quảng bá thông điệp thăm dò với giá trị HC của chúng
và giá trị cờ I-flag Theo cách trên tất cả các nút trong mạng sẽ nhận được các thông tin từ gateway và khoảng cách tới gateway (hình 3)
Hình 4 Thuật toán xử lý các thông điệp RREQ tại các nút mạng
HMN
b Khám phá tuyến Thuật toán khám phá tuyến của Imp-AODV cơ bản tương tự như đối với AODV, tuy nhiên các thông điệp tìm đường RREQ được sửa đổi để chứa giá trị khoảng cách HC (số chặng) tới gateway Thuật toán sửa đổi được chỉ ra như trong
Begin
End
Generate the HELLO packet
HCHELLO=HCi+1 GatewayIDHELLO=GatewayIDi
Broadcast HELLO packet
Node i has
Gateway ID No
Yes Begin
End
Generate the HELLO packet
HCHELLO=HCi+1 GatewayIDHELLO=GatewayIDi
Broadcast HELLO packet
Node i has
Gateway ID No
Yes
Begin
End
Node i receives
HELLO packet
HCHELLO<HCi
HCi=HCHELLO GatewayIDi=GatewayIDHELLO
Update the neighbor information
No
Yes
Packet has Gateway ID No
Yes Begin
End
Node i receives
HELLO packet
HCHELLO<HCi
HCi=HCHELLO GatewayIDi=GatewayIDHELLO
Update the neighbor information
No
Yes
Packet has Gateway ID No
Yes
Begin
End
Generate RREQ
HCRREQ=HCS
Broadcast RREQ Begin
End
Generate RREQ
HCRREQ=HCS
Broadcast RREQ
Begin
End
Node i receives
RREQ packet
HCRREQ<HCi
Discard RREQ packet
HCRREQ=HCi
Forward RREQ packet
Begin
End
Node i receives
RREQ packet
HCRREQ<HCi
Discard RREQ packet
HCRREQ=HCi
Forward RREQ packet Begin
End
Node i receives
RREQ packet
HCRREQ<HCi
Discard RREQ packet
HCRREQ=HCi
Forward RREQ packet
(a) Nút nguồn quảng bá thông điệp RREQ
(b) Nút nhận được thông điệp
RREQ
Trang 3hình 4 Theo đó, khi một nút trong HMN có nhu cầu khám phá
tuyến (on demand) tới gateway, nút đó sẽ quảng bá thông điệp
tìm đường RREQ với trường HC được gán là giá trị khoảng
cách HC của nút đó Khi các nút lân cận nhận được thông điệp
RREQ này, nếu giá trị HC trong thông điệp RREQ lớn hơn giá
trị HC tại nút nhận, chúng sẽ thay thế giá trị HC của RREQ
bằng giá trị HC của nút nhận và quảng bá thông điệp RREQ
sau khi sửa đổi này
Ngược lại, nếu giá trị HC trong thông điệp RREQ bé hơn hoặc
bằng giá trị HC tại nút nhận chúng sẽ hủy bỏ thông điệp RREQ
nhận được, để tránh dư thừa các thông điệp quảng bá Chính
điều này cho phép giới hạn phạm vi quảng bá, thay vì quảng bá
ra toàn mạng, Imp-AODV chỉ quảng bá trong phạm vi nhỏ về
phía gateway
Để thiết lập tuyến cho việc chuyển dữ liệu, quá trình hoàn toàn
tương tự như trong giao thức AODV Khi một nút nhận được
RREQ, nó sẽ thiết lập tuyến ngược (reverse route) tới nút đã
gửi RREQ và gửi lại một thông điệp phản hồi tuyến RREP nếu
nó có sẵn tuyến tới đích trong bảng định tuyến, ngược lại nó sẽ
tiếp tục quảng bá thông điệp RREQ đã sửa đổi theo cách như
đã trình bày ở trên Nếu gateway nhận được RREQ thì nó sẽ
gửi một thông điệp phản hồi tuyến RREP cho nút nguồn gửi
RREQ và thiết lập tuyến dùng để chuyển dữ liệu từ nút nguồn
tới gateway
Phương pháp duy trì tuyến hoàn toàn tương tự như đối với
AODV, một tuyến nào tại một nút có thể bị thay đổi sau một
thời gian, nút đó sẽ thông báo cho các nút lân cận mà có tuyến
qua nút hiện tại bằng thông điệp báo lỗi Thông báo lỗi sẽ được
chuyển tiếp tới nút nguồn và nó sẽ khởi tạo lại quá trình khám
phá tuyến
0
0.5
1
1.5
2
2.5x 10
5
Number of flows
Random topology D-AODV
AODV
AODV Imp-AODV
Hình 5 So sánh số lượng các gói tin điều khiển trong trường hợp sơ
đồ HMN ngẫu nhiên
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3x 10
5
Number of flows
Grid topology D-AODV
AODV
AODV Imp-AODV
Hình 6 So sánh số lượng các gói tin điều khiển trong trường hợp
sơ đồ HMN dạng lưới
Phần mềm mô phỏng mạng NS-2 [11,12] được lựa chọn để đánh giá tính hiệu quả của giao thức cải tiến Các mô phỏng được tiến hành cho 100 nút mạng với các sơ đồ mạng HMN dạng lưới (grid topology) và dạng ngẫu nhiên (random topology) trên diện tích 2000 m x 2000 m Trong sơ đồ dạng lưới các nút mạng cách nhau khoảng cách 200m Trong sơ đồ mạng ngẫu nhiên, 1 nút mạng được chọn làm nút gateway và
99 nút mạng còn lại được triển khai ngẫu nhiên trên diện tích
đã cho Các nút mạng HMN đều sử dụng giao thức MAC 802.11b với cự ly truyền tối đa 250m Ngoài ra, để giả lập các kết nối Internet qua gateway, mô phỏng này sử dụng các kết nối CBR (constant bit rate) với kích thước gói dữ liệu 512 bytes, trong đó số lượng các nguồn phát được thay đổi từ 10 đến 80 và tất cả đều có chung đích là nút gateway Tốc độ phát của các kết nối này là 4 packets/giây Thời gian mô phỏng được thực hiện trong 150 giây
Hình 5 và hình 6 so sánh số lượng các gói tin điều khiển do định tuyến gây ra (routing overhead) giữa hai giao thức AODV
và Imp-AODV cho sơ đồ mạng ngẫu nhiên và dạng lưới Kết quả cho thấy khi tăng tải trong mạng HMN – số lượng các kết nối tăng từ 10 đến 80 kết nối dữ liệu, lượng dư thừa do Imp-AODV giảm đi rất nhiều, khoảng 54% tương ứng với số kết nối là 80 trong trường hợp sơ đồ mạng HMN dạng lưới Có được sự cải thiện này là do giao thức Imp-AODV đã hạn chế vùng quảng bá do quá trình khám phá tuyến gây ra như trong AODV
1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4x 10 5
Number of flows
Grid Topology
D-AODV AODV
AODV Imp-AODV
Hình 7 So sánh hiệu quả truyền dữ liệu trong trường hợp
sơ đồ HMN dạng lưới
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9x 10 5
Number of flows
Random topology
D-AODV AODV
AODV Imp-AODV
Hình 8 So sánh hiệu quả truyền dữ liệu trong trường hợp
sơ đồ HMN ngẫu nhiên
Trang 4Hình 7 và hình 8 chỉ ra kết quả so sánh về hiệu quả truyền dữ liệu (throughput) của hai giao thức Imp-AODV và AODV Kết quả mô phỏng cho thấy, khi tải trong HMN tăng lên dung lượng truyền của cả hai giao thức đều tăng lên, tuy nhiên giao thức Imp-AODV cho thấy hiệu quả hơn hẳn, cải tiến khoảng 20% dung lượng truyền tương ứng với số kết nối là 70 trong trường hợp sơ đồ mạng HMN dạng lưới Sự cải thiện đáng kể này là do số lượng các thông điệp quảng bá giảm xuông, đặc biệt là thông điệp tìm đường RREQ, dẫn đến làm giảm sự tiêu tốn băng thông cho các thông điệp điều khiển và giảm sự xung đột trong mạng HMN
Trong bài báo này, chúng tôi đã nghiên cứu về mô hình mạng hình lưới không dây lai HMN, các cơ chế định tuyến trong mạng này và đề xuất giao thức định tuyến cải tiến IMP-AODV Kết quả phân tích cho thấy giao thức cải tiến IMP-AODV đã làm giảm đáng kế lượng dư thừa dữ liệu và góp phần cải thiện hiệu năng của mạng HMN Trong tương lai, chúng tôi sẽ tiếp tục khảo sát hiệu quả của giao thức IMP-AODV trong HMN với nhiều nút gateway, cũng như khả năng triển khai thực tế cho các thiết bị HMN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Akyildiz I,Wang X,Wang W Wireless mesh works: a survey Computer Networks Journal 2005; 47(4):445-487
[2] Bruno R, Conti M, Gregori E Mesh networks: commodity multihop ad hoc networks Communications Magazine 2005; 43(3):123-131
[3] S.S.Dhenakaran and A.Parvathavarthini, “An Overview of Routing protocols in Mobile Ad-Hoc Network”, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, Vol 3, pp 251-259, Feb 2013
[4] E M Royer, and C K Toh, "A review of current routing protocols for
ad hoc mobile wireless networks," IEEE Personal Communications
Magazine, vol.6, pp 46-55, Apr 1999
[5] C E Perkins, and E M Royer, "Ad hoc on-demand distance vector
routing," in Proc of the 2nd IEEE workshop on Mobile Computing
Systems and Applications, pp 90–100, 1999
[6] Park and MS Corson "A highly adaptive distributed routing algorithm for
mobile wireless networks", in Proc of INFOCOM'97, Apr 1997
[7] C E Perkins and P Bhagwat, "Highly Dynamic Destination-Sequenced
Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers," ACM
SIGCOMM Computer Communication Review, vol 24, pp 234-244,
1994
[8] P Jacquet, P Muhlethaler, T Clausen, A Laouiti, A Qayyum, and L Viennot, "Optimized Link State Routing Protocol for Ad hoc Networks,"
in Proc of IEEE INMIC, 2001
[9] Z J Haas, "A New Routing Protocol for the Reconfigurable Wireless
Networks," in Proc of IEEE ICUPC, 1997
[10] M Joa-Ng and I.-T Lu, "A Peer-to-Peer zone-based two-level link state
routing for mobile Ad Hoc Networks", IEEE Journal on Selected Areas
in Communications, Special Issue on Ad-Hoc Networks, pp.1415-25
[11] The Network Simulator-NS-2 Available: http://www.isi.edu/nsnam/ns [12] K Fall and K Varadhan, Eds., The ns Manual, The VINT Project, UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC, Apr 2002 available: http://www.isi.edu/nsnam/ns/
