ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Nguyễn Kiên Giang NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG HIỆU QUẢ, TIN CẬY VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ SỞ CẢI TIẾN GIAO THỨC[.]
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Nguyễn Kiên Giang
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG HIỆU QUẢ, TIN CẬY VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ SỞ CẢI TIẾN GIAO THỨC AOMDV
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Thái Nguyên - 2020
Trang 2ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Nguyễn Kiên Giang
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG HIỆU QUẢ, TIN CẬY VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ SỞ CẢI TIẾN GIAO THỨC AOMDV
Ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 9480101
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS TS NGUYỄN VĂN TAM
Thái Nguyên - 2020
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ thông tin
và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, bằng sự biết ơn và kính trọng, tôi xin
gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Khoa Công nghệ
thông tin thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học
Thái Nguyên cùng các thầy, cô giáo đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi
điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn
thiện luận văn này
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Văn Tam, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã tạo điều kiện sát, nghiên cứu để hoàn thành đề tài này
Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2019
Học viên
Nguyễn Kiên Giang
Trang 4MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1
MỞ ĐẦU 3
CHƯƠNG 1 MẠNG AD HOC DI ĐỘNG VÀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG 6
1.1 Tổng quan về mạng ad hoc di động 6
1.1.1 Định nghĩa mạng ad hoc di động 6
1.1.2 Đặc điểm của mạng ad hoc di động 7
1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET 9
1.1.3.1 Ứng dụng trong quân đội 9
1.3.1.2 Các ứng dụng trong cuộc sống 10
1.3.1.3 Mạng cảm biến 12
1.3.1.4 Mạng Rooftop 12
1.3.1.5 Mở rộng phạm vi của điểm truy cập 13
1.2 Giao thức định tuyến đa đường AOMDV 14
1.2.1 Tổng quan về giao thức AOMDV 14
1.2.2 Vấn đề chống định tuyến lặp 15
1.2.3 Các đường tách biệt 18
1.2.4 Bảng định tuyến 24
1.2.5 Thuật toán cập nhật đường 25
1.2.6 Tiến trình khám phá đường 27
1.2.7 Cơ chế bảo trì đường 30
1.2.8 Cơ chế chuyển tiếp dữ liệu 31
1.3 Một số nghiên cứu cải tiến giao thức AOMDV 31
1.5 Tổng kết chương 1 34
Trang 5CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG HIỆU QUẢ, TIN CẬY
VÀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN
E2E-LREEMR 36
2.1 Xây dựng độ đo định tuyến 36
2.2 Cơ chế hoạt động 38
2.3 Xác định năng lượng còn lại và năng lượng còn lại tối thiểu 39
2.4 Xác định năng lượng truyền dự kiến 41
2.5 Xác định tổng năng lượng truyền dự kiến 42
2.6 Xác định số lần truyền dự kiến 43
2.7 Xác định tổng số lần truyền dự kiến 45
2.8 Chọn đường dựa trên CETX và CETE 45
2.9 Tổng kết Chương 2 48
CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC 50
3.1 Thiết lập môi trường mô phỏng 50
3.2 Độ đo hiệu năng 51
3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 53
3.3.1 Tỷ lệ mất gói 53
3.3.2 Chi phí định tuyến chuẩn hoá 54
3.3.3 Tổng năng lượng tiêu thụ 56
3.3.4 Thông lượng 57
3.3.5 Tỷ lệ truyền thành công 58
3.3.6 Chi phí định tuyến 59
3.3.7 Trễ đầu cuối trung bình 60
3.4 Tổng kết Chương 3 62
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65
Trang 6DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ADSL Asymmetric Digital
Subscriber Line
Đường thuê bao số bất đối xứng
AODV Ad hoc On demand
Distance Vector
Giao thức định tuyến theo yêu cầu dạng vector khoảng cách dành cho mạng ad hoc
AOMDV Ad hoc On demand
Multipath Distance Vector
Giao thức định tuyến AODV đa đường
CETE Cumulative Expected
Transmission Energy
Tổng năng lượng truyền dự kiến của đường
CETX Cumulative Expected
Transmission Count
Tổng số lần truyền dự kiến của đường
DA Destination Address Địa chỉ đích
DoS Denial-of-Service Tấn công từ chối dịch vụ
DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn
động
E2E-LREEMR
End-to-End Link Reliable Energy Efficient Multipath Routing
Giao thức định tuyến đa đường
có liên kết đầu cuối tin cậy và tiết kiệm năng lượng
ETE Expected Transmission
Energy
Năng lượng truyền dự kiến
ETX Expected Transmission
Count
Số lần truyền dự kiến
ISP Internet Serive Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet LET Link Expiration Time Thời gian hết hạn liên kết
LPU Local Path Update Cập nhật đường nội bộ
Trang 7LR-EE-AOMDV
Link Reliable Energy Efficient AOMDV
Giao thức định tuyến AOMDV cải tiến độ tin cậy liên kết và năng lượng sử dụng
MANET Mobile Ad hoc Network Mạng ad hoc di động
MDSDV Modified
Destination-Sequenced Distance-Vector
Giao thức định tuyến DSDV cải tiến
MP-DSR Multipath Dynamic
Source Routing
Giao thức định tuyến DSR đa đường
MP-OLSR Multipath Optimized Link
State Routing Protocol
Giao thức định tuyến OLSR đa đường
MRE Minimal Residual Energy Năng lượng còn lại tối thiểu NS-2 Network Simulator
version 2
Phần mềm mô phỏng mạng NS phiên bản 2
OLSR Optimized Link State
Routing Protocol
Giao thức định tuyến tối ưu trạng thái đường liên kết
OMMRE-AOMDV
Optimized Minimal Maximal nodal Residual Energy AOMDV
Giao thức định tuyến AOMDV tối ưu năng lượng nút mạng
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RREP Route Reply Gói tin trả lời đường
RREQ Route Request Gói tin yêu cầu tìm đường RRER Route Error Gói tin báo lỗi đường
RSSI Received Signal Strength
Indicators
Chỉ số độ mạnh tín hiệu nhận được
ZRP Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến vùng
Trang 8MỞ ĐẦU
Mạng Ad hoc di động (MANET) là một nhóm thiết bị tự trị di động cung cấp khả năng truyền thông đa chặng qua việc sử dụng các liên kết không dây và hình thành cấu trúc liên kết động Các mạng như vậy không có cơ sở hạ tầng vật lý đầy
đủ như bộ định tuyến, máy chủ, điểm truy cập, cáp truyền dẫn hoặc cơ chế quản trị tập trung Mỗi nút di động trong MANET hoạt động với cả hai vai trò là định tuyến và nút người dùng đầu cuối Điều này khiến mạng MANET được kỳ vọng
sẽ có những ứng dụng rộng rãi trong các khu vực chiến tranh, khắc phục thảm họa, hàng không và thông tin liên lạc hàng hải, công nghiệp, gia đình
Đối với mạng MANET, có nhiều vấn đề kỹ thuật cần phải được giải quyết như: (i) các tính chất không dự đoán được của liên kết dẫn tới xung đột dữ liệu và tín hiệu truyền, (ii) sự di động của các nút mạng dẫn đến cấu trúc mạng động, (iii) thời lượng pin hạn chế của các thiết bị di động, (iv) vấn đề trạm ẩn và trạm rõ xảy
ra khi các tín hiệu của hai nút xung đột với nhau, (v) khó bảo trì đường do sự thay đổi của môi trường truyền và (vi) thiếu cơ chế bảo mật tạo cơ hội cho các tấn công như nghe lén thụ động, can thiệp chủ động và rò rỉ thông tin bí mật, giả mạo dữ liệu, phát lại thông điệp và tấn công từ chối dịch vụ (DoS)
Định tuyến là một trong những vấn đề quan trọng nhất cần được xem xét trong số nhiều vấn đề cần giải quyết trong MANET Các giao thức định tuyến đơn đường thường tìm thấy một đường tối ưu giữa một cặp nút nguồn và đích Do đó, mỗi khi một con đường bị phá vỡ, một tiến trình khám phá đường mới lại được kích hoạt dẫn đến chi phí và độ trễ cao Tuy nhiên, các giao thức định tuyến đa đường thiết lập một kênh truyền thông từ nguồn đến đích bằng cách có các đường
Trang 9dự phòng Khi đường chính bị lỗi trong quá trình truyền thông đầu cuối, các đường
dự phòng được sử dụng để truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả đến đích
Đã có nhiều giao thức định tuyến đa đường được đề xuất Đối với các giao thức định tuyến đa đường sử dụng cơ chế tìm đường trước như giao thức MDSDV
và giao thức MP-OLSR, việc cập nhật các bảng định tuyến thường xuyên dẫn đến việc tiêu thụ một lượng lớn bộ nhớ, băng thông và năng lượng Để giải quyết vấn
đề này, các giao thức định tuyến đa đường tìm đường theo yêu cầu đã được đề xuất Những giao thức định tuyến đa đường tiêu biểu trong nhóm này là giao thức MP-DSR và giao thức AOMDV Cũng đã có nhiều nghiên cứu đề xuất cải tiến giao thức AOMDV thành các giao thức mới để đạt được hiệu năng tốt hơn Đó là giao thức MMNE-AOMDV và OMMNE-AOMDV với khả năng tiết kiệm năng lượng cao hơn; giao thức LL-EE-AOMDV với khả năng định tuyến đa đường hiệu quả qua các liên kết tin cậy và tiết kiệm năng lượng Đây là giao thức có hiệu năng cao hơn giao thức OMMNE-AOMDV, MMNE-AOMDV và AOMDV Do số lượng đường được giao thức LR-EE-AOMDV tạo ra rất hạn chế bởi cơ chế lựa chọn đường giữa bất kỳ cặp nguồn-đích nào bằng cách sử dụng kết hợp 3 độ đo đầu cuối nên độ trễ đầu cuối của giao thức này là rất cao khi số lượng kết nối hoặc lưu lượng dữ liệu mạng tăng lên
Mục tiêu chính đề tài này là nghiên cứu sâu về giao thức định tuyến đa đường mới là E2E-LREEMR trên cơ sở cải tiến giao thức định tuyến đa đường AOMDV Giao thức này có khả năng tìm nhiều đường không lặp qua các liên kết tin cậy với
và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả theo điều kiện tài nguyên có sẵn để đáp ứng các yêu cầu Chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau của các ứng dụng Mức độ cải tiến về hiệu năng của giao thức E2E-LREEMR so với giao thức AOMDV sẽ
Trang 10được chứng minh qua các phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng hai giao thức trên phần mềm mô phỏng NS-2
Luận văn có bố cục như sau: Sau phần mở đầu là nội dung giới thiệu tổng quan về mạng không dây di động ad hoc và định tuyến đa đường được trình bày trong Chương 1 Chi tiết của kỹ thuật định tuyến đa đường, hiệu quả, tin cậy và tiết kiệm năng lượng trong giao thức định tuyến E2E-LREEMR trên cơ sở cải tiến giao thức định tuyến AOMDV được trình bày trong Chương 2 Các kết quả mô phỏng, so sánh đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến E2E-LREEMR và giao thức định tuyến AOMDV được trình bày trong Chương 3 Cuối cùng là phần kết luận đưa ra những nội dung tổng kết và hướng phát triển của luận văn
Trang 11CHƯƠNG 1 MẠNG AD HOC DI ĐỘNG VÀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG 1.1 Tổng quan về mạng ad hoc di động
1.1.1 Định nghĩa mạng ad hoc di động
Mạng ad hoc di động (MANET) [3] là một mạng được hình thành bởi một tập các nút (máy/thiết bị) không dây, di động mà không hề có bất cứ sự trợ giúp nào của một trạm quản lý tập trung, một cơ sở hạ tầng truyền thông có trước hoặc
sự can thiệp của người dùng Việc truyền thông giữa các nút được thực hiện nếu như hai nút là đủ gần nhau để trao đổi các gói tin
Hình 1.1 Ví dụ về một mạng MANET
Có thể hình dung mạng MANET như một đồ thị, trong đó các nút mạng được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị Nếu hai nút có thể truyền thông trực tiếp với nhau, liên kết đó được biểu diễn bởi đường nối giữa hai nút Đồ thị biểu diễn này là một đồ thị tùy ý, có thể thay đổi hình dạng tại bất cứ thời điểm nào
Mạng MANET có thể là một mạng độc lập, hoặc cũng có thể được kết nối với một mạng khác lớn hơn, ví dụ mạng Internet
Trang 12Trong Hình 1.1 là một ví dụ về một mạng MANET gồm 7 nút Phạm vi truyền thông của mỗi nút được biểu diễn bằng một hình tròn Các nút nằm trong phạm vi truyền thông của nhau có thể truyền thông trực tiếp được với nhau
Kết nối giữa các nút mạng được đặc trưng bởi khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù là tạm thời Các tính chất đặc trưng của kết nối trong mạng MANET bao gồm:
(1) Khoảng cách giữa các nút: Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng Chỉ cần hai hoặc nhiều nút chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng ad-hoc Chính sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây ra bản chất đặc biệt (ad-hoc) của mạng
(2) Tính sẵn sàng hợp tác: (1) chỉ là điều kiện cần, chưa phải là điều kiện đủ
để thành lập mạng ad-hoc Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định “online” hay
“offline”
(3) Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc được xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định Một nút luôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng Do đó, mạng được coi là tạm thời Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer)
1.1.2 Đặc điểm của mạng ad hoc di động
Do ad hoc là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các thiết bị di động vừa
Trang 13đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạng ad hoc di động còn có một số đặc điểm nổi bật sau [2]:
Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng có thể là một
bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính trong mạng
có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút
Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết của môi trường truyền không dây
Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không xác định trước Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng
có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều
Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với mạng
có dây Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển khai trong mạng ad ho di động hơn là trong mạng có dây truyền thống
Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng ad hoc di động Để có thể triển khai được mạng ad hoc di động trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết được những thách thức sinh ra do
Trang 14những đặc điểm đã nêu trên của mạng Những thách thức này gồm các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các chương trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết kiệm năng lượng pin
để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ và của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng và khả năng tự tổ chức của mạng;
1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET
Các công nghệ của mạng không dây kiểu không cấu trúc đem lại rất nhiều lợi ích so với các mạng truyền thống (cả không dây và có dây) trong những ngữ cảnh khó có thể triển khai được một cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc việc triển khai là không khả thi do những lý do về mặt thực hành (địa hình,…) hoặc do những
lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một không gian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập) Phần dưới đây sẽ giới thiệu các ứng dụng của mạng MANET
1.1.3.1 Ứng dụng trong quân đội
Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trong quân sự đầu tiên, và mạng không dây kiểu không cấu trúc cũng không phải là một ngoại lệ Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” – một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay
Giải pháp mạng MANET cho quân đội có những đặc điểm khác so với mạng MANET thuần túy [1]
Mạng MANET thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên, các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào Trong mô