Untitled ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hoàng Xuân Giang NGHIÊN CỨU CHIẾN LƯỢC BẢO TRÌ THÔNG TIN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC PHÂN CỤM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC[.]
TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET PHÂN C Ụ M
T ổ ng quan v ề m ạ ng MANET
Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) là tập hợp các nút di động không dây có khả năng trao đổi dữ liệu mà không cần trạm cơ sở cố định Mỗi nút di động có phạm vi truyền hạn chế, do đó cần sự hỗ trợ từ các nút láng giềng để chuyển tiếp gói dữ liệu Ví dụ, khi một máy tính (nút nguồn) cần gửi gói tin đến một điện thoại thông minh (nút đích) không nằm trong phạm vi truyền, các nút trung gian sẽ giúp chuyển tiếp gói tin Để thực hiện điều này, các nút trong mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp cho mạng MANET.
Hình 1.1 Một ví dụ của mạng MANET
Thuật ngữ “Ad hoc” trong mạng không dây chỉ một mạng không có cơ sở hạ tầng cố định, nơi hình dạng mạng được hình thành bởi các nút mạng Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 chỉ hỗ trợ thiết lập mạng đơn chặng Tuy nhiên, các mạng di động không dây kiểu không cấu trúc (MANET) đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” sang đa chặng, cho phép một nút mạng định tuyến và chuyển tiếp gói tin từ nút mạng khác Điều này có nghĩa là đường truyền gói tin từ nút nguồn đến nút đích có thể bao gồm các nút trung gian, mà sẽ đọc thông tin trong phần header của gói tin và chuyển tiếp chúng đến chặng tiếp theo.
Trong mạng MANET, các nút kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin, đồng thời vẫn có khả năng di chuyển Điều này đòi hỏi mạng phải có khả năng truyền dữ liệu linh hoạt khi hình trạng mạng thay đổi liên tục Các nút mạng cần có cơ chế tự tổ chức để thiết lập các đường truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài Mỗi nút có thể hoạt động như một nút đầu cuối để chạy các ứng dụng của người sử dụng hoặc như một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin đến các nút khác.
Mạng MANET là một mạng không dây độc lập, không cần hạ tầng mạng cơ sở, cho phép truyền thông đa chặng giữa các thiết bị di động Các thiết bị này vừa hoạt động như đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến, mang lại những đặc điểm nổi bật cho mạng MANET.
Cấu trúc của mạng MANET thường xuyên thay đổi ngẫu nhiên do tính chất di chuyển của các nút mạng, dẫn đến việc thêm hoặc mất các kết nối hai chiều và một chiều vào những thời điểm không xác định.
Chất lượng của các liên kết không dây thường bị hạn chế do băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây Bên cạnh đó, ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập, suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác dẫn đến băng thông thực tế của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa lý thuyết.
Các nút mạng trong mạng MANET thường là các thiết bị như bộ cảm biến, điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay, và chúng có tài nguyên hạn chế So với các máy tính trong mạng có dây và không dây truyền thống, các thiết bị này thường có tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng pin thấp hơn, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của chúng.
Mạng không dây di động có độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý, dễ bị tác động từ các nguồn gây nguy hại về an ninh hơn so với mạng có dây Các kỹ thuật như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ dàng triển khai trong mạng MANET, làm tăng nguy cơ mất an ninh và bảo mật.
Các đặc điểm của mạng MANET ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của nó Để triển khai mạng MANET trong thực tế, các thiết kế cần giải quyết những thách thức phát sinh từ các đặc điểm này Những thách thức bao gồm 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 ứng dụng, 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, đảm bảo an ninh mạng, khả năng hợp tác giữa các nút mạng và khả năng tự tổ chức của mạng.
Mạng MANET ngày nay có nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống, kinh tế và xã hội, đặc biệt trong các tình huống cần triển khai mạng nhanh chóng và linh động Mạng này được sử dụng rộng rãi trong thương mại, quân sự, khẩn cấp, gia đình, văn phòng, giáo dục, giao thông và cảm biến Trong thương mại, người dùng có thể chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị di động trong các cuộc họp mà không cần hạ tầng mạng cố định Các cá nhân có thể kết nối để tạo thành mạng tạm thời phục vụ cho truyền thông dữ liệu mà không cần bộ thu phát tập trung Ngoài ra, mạng MANET cũng được ứng dụng trong quân đội, cho phép các lính và phương tiện quân sự kết nối và trao đổi thông tin linh hoạt trên chiến trường mà không cần hạ tầng mạng cố định.
Trong các khu vực chịu ảnh hưởng của thiên tai, hạ tầng truyền thông có thể bị phá hủy hoàn toàn Các phương tiện như xe cảnh sát, cứu hỏa, và cứu thương có thể được trang bị thiết bị truyền nhận không dây, biến chúng thành các thiết bị đầu cuối di động trong mạng MANET Nhân viên cứu hộ cũng có thể sử dụng thiết bị đầu cuối di động, tạo thành một mạng MANET tạm thời để trao đổi thông tin Cấu hình mạng sẽ thay đổi theo từng thời điểm, và các thiết bị này không chỉ gửi và nhận thông tin mà còn có khả năng chuyển tiếp thông tin như các bộ định tuyến.
Mỗi thiết bị thông minh trong gia đình, điện thoại di động và máy tính của người dùng trong văn phòng và trường học có thể hoạt động như một nút mạng trong mạng MANET tạm thời Mạng này không cần hạ tầng cố định, phục vụ cho các ứng dụng chia sẻ thông tin, truyền dữ liệu đa phương tiện, quản lý ngôi nhà thông minh và lớp học thông minh.
Trong quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phương tiện được xem như một nút mạng di động trong mạng MANET tạm thời, giúp trao đổi và quản lý thông tin về tình trạng giao thông Hệ thống này hỗ trợ tìm đường tránh tắc nghẽn và theo dõi các thiết bị tham gia giao thông.
Cảm biến là thiết bị nhỏ, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng và có khả năng truyền thông không dây Mạng MANET có thể bao gồm các nút cảm biến hợp tác để thực hiện nhiệm vụ như giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi hành vi và dân số động thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên và thực hiện trinh thám quân sự.
V ấn đề b ảo trì thông tin đị nh tuy ế n trong m ạ ng MANET phân c ụ m
Phân cụm là chiến lược hiệu quả cho mạng ad hoc di động (MANET), giúp cải thiện khả năng mở rộng và giảm kích thước bảng định tuyến Các giao thức định tuyến dựa trên phân cụm có khả năng mở rộng tốt hơn so với giao thức phẳng, nhờ vào việc giảm chi phí duy trì thông tin định tuyến Phân cụm cũng tăng tính sẵn sàng của thông tin mạng bằng cách sao chép dữ liệu giữa các nút trong các cụm khác nhau Khi truyền thông tin kiểu quảng bá hoặc multicast, phân cụm cho phép giảm thiểu thông điệp quảng bá dư thừa Hơn nữa, nó tạo điều kiện cho việc quản lý tài nguyên hiệu quả, đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) Nghiên cứu đã xem xét nhiều kỹ thuật phân cụm trong mạng ad hoc, tập trung vào việc quản lý tính di động và tối ưu hóa năng lượng Đề tài này giả định mạng đã được phân cụm để nghiên cứu các kỹ thuật triển khai nhằm quản lý trạng thái động của các cụm, như trạng thái sẵn sàng của nút và thông tin kết nối mạng, nhằm cải thiện hiệu suất ứng dụng trong MANET phân cụm.
Việc duy trì trạng thái của các cụm trong mạng MANET liên quan đến hai hoạt động chính: thu thập và phân phối thông tin Trong pha thu thập, các nút thu thập thông tin trạng thái từ cụm nội bộ, trong khi pha phân phối chia sẻ thông tin với các cụm khác Thách thức lớn trong việc bảo trì là tính di động của các nút, dẫn đến sự thay đổi thường xuyên của trạng thái cụm và tăng chi phí cho các hoạt động này Một chiến lược bảo trì hiệu quả cần cân bằng tải công việc và mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời tối thiểu hóa chi phí và theo dõi các thay đổi một cách kịp thời Để quản lý thông tin trạng thái, giao thức bảo trì phải thực hiện các hoạt động thu thập và phân phối Trong nghiên cứu này, kết nối logic giữa các cụm được coi là thông tin trạng thái, với hai cụm được xem là có kết nối nếu chúng liền kề và có thể định tuyến trực tiếp thông điệp qua một nút biên Các cụm và kết nối giữa chúng có thể được mô hình hóa như một lớp phủ trên mạng MANET, trong đó các cụm là các đỉnh và kết nối là các cạnh của lớp phủ.
Một cách tiếp cận đơn giản để giải quyết bài toán bảo trì trạng thái trong mạng MANET phân cụm là giao trách nhiệm cho nút đầu cụm, bao gồm việc duy trì thông tin của các cụm lân cận và chia sẻ thông tin với các đầu cụm khác Nút đầu cụm quản lý và xử lý các yêu cầu định tuyến liên cụm, trong khi các nút khác chỉ cần duy trì một con đường đến nút đầu cụm của chúng Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc triển khai chiến lược bảo trì mạng phủ phân cụm dựa trên nút đứng đầu, gọi là CWHO (Cluster-Based With Head Overlay), để so sánh với các chiến lược bảo trì khác.
Trong thiết kế chiến lược bảo trì thông tin cho mạng MANET, có những cách tiếp cận khác nhau, bao gồm chiến lược phân phối đầy đủ không dựa vào các nút đứng đầu Trong phương pháp này, mọi nút đều có trách nhiệm chia sẻ thông tin về các cụm lân cận, cho phép chúng xử lý các hoạt động định tuyến liên cụm Đề tài này cũng nghiên cứu việc triển khai chiến lược bảo trì thông tin định tuyến trong mạng phủ phân cụm không có nút đứng đầu, được gọi là CWOHO (Cluster-Based WithOut Head Overlay).
Hai chiến lược bảo trì thông tin trạng thái cục bộ của các cụm trong mạng có những ưu điểm riêng và phù hợp với các điều kiện mạng khác nhau Chiến lược CWHO đơn giản và hiệu quả trong nhiều tình huống, nhưng có thể gặp phải vấn đề như mất cân bằng tải và tiêu thụ năng lượng cao Ngược lại, chiến lược CWOHO có thể tránh được những vấn đề này, nhưng chi phí bảo trì lại cao Giữa hai cách tiếp cận này, chiến lược Phân cụm với thông tin nút lân cận (CNI) là một lựa chọn khác Chiến lược CNI thu thập thông tin một cách phân tán nhưng không chia sẻ với toàn bộ mạng, chỉ duy trì thông tin về các cụm lân cận Nghiên cứu giả định rằng mỗi nút đều có kiến thức về cấu trúc kết nối mạng, cho phép định tuyến liên cụm thông qua quyết định tại mỗi cụm trung gian.
Một chiến lược bảo trì thông tin định tuyến không thể áp dụng đồng nhất cho mọi điều kiện và mô hình di động của mạng Khi các nút di chuyển chậm, chiến lược bảo trì với nút đầu cụm có thể đạt hiệu suất tốt Ngược lại, trong mạng có tính cơ động cao, cần xem xét chiến lược bảo trì phân tán Để đánh giá tác động của tính di động của nút, nghiên cứu này sẽ phân tích hiệu năng của ba chiến lược bảo trì dựa trên hai mô hình di động: Random Waypoint và Manhattan Grid thông qua phương pháp mô phỏng.
Đề tài này sẽ thực hiện các công việc sau: (a) Nghiên cứu toàn diện về bảo trì trạng thái trong mạng MANET phân cụm thông qua chiến lược bảo trì với nút đầu cụm CWHO, một chiến lược phổ biến; (b) Triển khai chiến lược bảo trì CWOHO, nơi các nút kết hợp thông tin từ tất cả các nút biên để xác định khả năng kết nối với các cụm lân cận và quảng bá thông tin này cho mọi nút trong mạng; (c) Triển khai chiến lược CNI, kết hợp giữa hai chiến lược CWHO và CWOHO; (d) Sử dụng mô phỏng để đánh giá ba chiến lược bảo trì trong các điều kiện mạng khác nhau, cung cấp cái nhìn sâu sắc cho các chiến lược thiết kế bảo trì thông tin định tuyến.
M ộ t s ố k ỹ thu ậ t phân c ụ m trong m ạ ng MANET
Kỹ thuật phân cụm là phương pháp hiệu quả để giảm chi phí định tuyến và kéo dài thời gian sống của các nút trong mạng Phân cụm phân tán, dựa trên lý thuyết đồ thị thống trị, được nghiên cứu nhiều trong mạng ad hoc và cảm biến không dây Tập thống trị của đồ thị G = (V, E) là tập con S ⊆ V, trong đó mọi đỉnh v ∈ V đều nằm trong S hoặc liền kề với một đỉnh của S Các đỉnh trong S được gọi là thống trị, và các cạnh có một đầu mút trong S được gọi là cạnh bị thống trị Nhiều kỹ thuật đã được đề xuất để chọn tập thống trị S, bao gồm tập thống trị độc lập (IDS), tập thống trị kết nối (CDS) và tập thống trị kết nối yếu (WCDS) Trong IDS, không có hai đỉnh nào trong S liền kề, trong khi CDS yêu cầu tất cả các đỉnh trong S phải được kết nối, dẫn đến số lượng cụm trong IDS ít hơn CDS Tuy nhiên, khả năng kết nối của các nút đầu cụm trong CDS lại thuận lợi hơn cho các ứng dụng truyền thông kiểu quảng bá WCDS là biến thể của CDS, cho phép nới lỏng yêu cầu kết nối trực tiếp giữa các nút thống trị lân cận.
Phương pháp DDR trong nghiên cứu [9] giới thiệu một kỹ thuật phân tán mới để phân cụm các nút thành các vùng không chồng lấp Thay vì chọn một tập hợp con các nút như trong tập thống trị, DDR sử dụng một thuật toán phân tán để xây dựng một rừng Các cây trong rừng được hình thành thông qua việc trao đổi thông điệp báo hiệu định kỳ giữa các nút Mỗi cây tạo thành một vùng riêng biệt và được gán một định danh vùng (zone-ID) thông qua thuật toán đặt tên vùng Các vùng này được kết nối với nhau bởi các nút biên, không thuộc cùng một cây nhưng nằm trong cùng một phạm vi truyền thông.
Một số mạng ad hoc hỗn độn sử dụng các nút báo hiệu để phân cụm các nút trong mạng, trong đó các nút báo hiệu tác động vào các nút lân cận để thu hút các nút khác tạo thành cụm Phương pháp LABAR nghiên cứu mạng hỗn độn với một tập con các nút có thông tin vị trí chính xác, gọi là nút G, trong khi phần còn lại là các nút S Nút G đóng vai trò là nút báo hiệu, lôi kéo các nút S trong vùng lân cận để tạo thành các vùng Phương pháp BEAD nghiên cứu mạng ad hoc phân cấp ba tầng với các nút di động (MN) ở tầng thấp nhất, tiếp theo là các nút chuyển tiếp (FN) và các điểm truy cập (AP) Các thông điệp báo hiệu định kỳ được gửi bởi FN và AP được quét bởi các MN để xác định nút cha tốt nhất trong mạng Ngoài ra, phương pháp trong tài liệu [16] cũng là một dạng kỹ thuật phân cụm dựa trên nút báo hiệu.
Trong MANET, các nút có thể được phân nhóm theo mối quan hệ logic hoặc kiểu hoạt động Các ứng dụng như khắc phục thảm họa và triển khai quân sự thường yêu cầu sự hợp tác giữa các nhóm nhỏ nút trong mạng Các thành viên trong nhóm chia sẻ mối quan tâm chung và di chuyển cùng nhau với tốc độ và hướng tương tự Từ đặc điểm này, các nút vật lý có thể được chia thành nhiều nhóm nhỏ thông qua kỹ thuật phân cụm dựa trên nhóm.
Một kỹ thuật phân cụm vật lý phổ biến trong các mạng sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS là chia việc triển khai thành các lưới địa lý Kỹ thuật này yêu cầu mỗi nút phải nắm rõ thông tin về hình dạng và phân vùng của khu vực triển khai Thông tin này giúp các nút xác định ranh giới của cụm và cụm chứa nó So với tính di động của nhóm, trong kỹ thuật này, tính di động của các nút là ngẫu nhiên, trong khi các phân vùng địa lý được cố định.
Ngoài ra, còn nhiều kỹ thuật phân cụm khác Nghiên cứu [14] đã xem xét các kỹ thuật phân cụm trong mạng không dây, và các kỹ thuật phân cụm trong mạng MANET được tổng hợp trong Bảng 2.1.
Kỹ thuật phân cụm Đặc điểm Giao thức
Tập thống trị Phân cụm logic bằng cách chọn một tập con các nút trong mạng
Cụm phân tán Phân cụm logic dưới dạng phân tán DDR
Dựa trên báo hiệu Phân cụm logic sử dụng nút báo hiệu
Dựa trên nhóm Phân cụm vật lý dựa trên mối quan hệ logic giữa các nút HSR, LANMAR Phân vùng địa lý
Phân cụm vật lý sử dụng thông tin vị trí và hình trạng mạng
Bảng 2.1 Một số kỹ thuật phân cụm tiêu biểu trong mạng MANET
M ộ t s ố k ỹ thu ậ t b ả o trì thông tin c ụ m trong m ạ ng MANET
Trong mạng có cấu hình động, thông tin trạng thái của các cụm như kết nối, băng thông và kích thước có thể thay đổi thường xuyên Các chiến lược bảo trì thông tin mạng đã được nghiên cứu và phân chia thành hai nhóm: nhóm dựa trên nút đứng đầu và nhóm sử dụng phương pháp phân tán Bài viết này sẽ trình bày ngắn gọn về các giao thức triển khai của các chiến lược này.
CBRP Dựa trên nút đứng đầu mỗi cụm thực hiện nhiệm vụ kết nối và định tuyến liên cụm
LABAR, BEAD Sử dụng nút đặc biệt (G-node trong LABER) để bảo trì kết nối và định tuyến cho các vùng
CEDAR và MCEDAR sử dụng các nút lõi để duy trì thông tin về các cụm GLIDER triển khai topo mạng cảm biến phân tán cho từng nút và áp dụng cho quá trình định tuyến.
LANMAR Mỗi nút bảo trì thông tin định tuyến về các nút lân cận và tới các nút mốc
DDR, HARP Mọi nút bảo trì thông tin về khu vực và các vùng lân cận của mình
ZHLS Mọi nút bảo trì thông tin nội bộ về các nút hiện có trong vùng của chúng và kết nối của các vùng
Bảng 2.2 Một số kỹ thuật bảo trì lớp phủ trong mạng phân cụm
1.4.1 Chi ến lượ c d ựa trên nút đứng đầ u
Trong CBRP, các nút đầu cụm lưu trữ thông tin về các nút thành viên trong cụm và khả năng kết nối với các cụm lân cận Các nút còn lại duy trì các đường dẫn đến nút đầu cụm của chúng, giúp giảm chi phí quảng bá tìm đường tới nút đích.
Trong CEDAR, các nút lõi được chọn thông qua thuật toán tập thống trị phân tán tối thiểu (MDS) để duy trì thông tin lớp phủ của các cụm xa trong mạng Đối với định tuyến QoS, mỗi nút lõi duy trì cấu trúc liên kết cục bộ và thông tin băng thông của các liên kết bền vững ở khoảng cách xa, trong khi không bảo trì các liên kết băng thông thấp không hữu ích cho QoS CEDAR áp dụng hai kỹ thuật lan truyền: sóng tăng di chuyển chậm và sóng giảm di chuyển nhanh để cập nhật băng thông trên các nút lõi Các nút lõi sử dụng thông tin về các liên kết bền vững băng thông cao để tính toán đường QoS từ nút nguồn đến nút đích.
Trong MCEDAR, một thuật toán multicast được phát triển từ thuật toán CEDAR, các nút lõi duy trì cấu trúc lưới gọi là mgraph cho nhóm multicast Cấu trúc mgraph được hình thành thông qua việc duy trì các đường dự phòng giữa các nút lõi MCEDAR gán cho mỗi mgraph một hệ số độ mạnh để điều chỉnh kết nối giữa các nút lõi trong lưới Việc bảo trì mgraph giúp phục hồi nhanh chóng khi có lỗi liên kết trong mạng và nâng cao hiệu quả của ứng dụng.
1.4.2 Chi ến lượ c phân tán m ộ t ph ầ n
Một phương pháp để duy trì trạng thái của các cụm trong mạng là phân tán thông tin đến mọi nút Các nghiên cứu đã đề xuất nhiều giao thức như GLIDER, LANMAR, DDR và HARP Trong giao thức GLIDER, các nút mốc được sử dụng để chia trường cảm biến thành các tấm lợp có thể định tuyến theo địa lý, với mỗi tấm lợp là một tế bào Voronoi được hình thành từ kỹ thuật kết hợp mốc Voronoi phân tán (LVC) Phức hợp đối kháng của LVC, gọi là tam giác tổ hợp Delaunay (CDT), phản ánh sự kết nối giữa các tế bào Voronoi và cung cấp cái nhìn tổng quan về cấu trúc mạng Mỗi nút mốc sử dụng thông tin này để tính toán cây đường đi ngắn nhất và tích hợp vào tế bào Voronoi của mình, từ đó duy trì thông tin cần thiết cho việc định tuyến liên vùng giữa các tế bào.
Giao thức HARP áp dụng chiến lược bảo trì phân tán, sử dụng DDR làm giao thức nền tảng để phân vùng các nút thành các vùng không chồng lấp Giao thức DDR cho phép các nút duy trì thông tin định tuyến đến các nút trong cùng vùng và thông tin về các vùng lân cận Trong HARP, các nút sử dụng thông tin này để định tuyến gói dữ liệu trong vùng theo kiểu tìm đường trước, trong khi đối với định tuyến liên vùng, các nút áp dụng cách tiếp cận tìm đường theo yêu cầu, bao gồm cả kỹ thuật khám phá và bảo trì đường.
Các giao thức hiện tại không thực hiện việc thu thập và phân tán thông tin một cách hiệu quả Trong LANMAR và GLIDER, các nút mốc được sử dụng để thu thập thông tin tổng thể về các cụm Ngược lại, DDR và HARP chỉ duy trì thông tin về các cụm lân cận mà không chia sẻ với các nút bên ngoài cụm của chúng.
1.4.3 Chi ến lượ c phân tántoàn ph ầ n
Giao thức định tuyến ZHLS sử dụng chiến lược bảo trì phân tán toàn phần, trong đó mỗi nút duy trì topo cấp thấp chứa thông tin kết nối với các nút khác trong cùng khu vực Đồng thời, topo cấp vùng cung cấp thông tin về kết nối giữa các vùng trong toàn mạng Mỗi nút sử dụng thông tin cấp nút để thực hiện định tuyến trong vùng của nó, trong khi thông tin cấp vùng được áp dụng cho định tuyến liên vùng.
Giao thức ZHLS cho phép mỗi nút thu thập thông tin từ các cụm lân cận thông qua việc trao đổi dữ liệu trong cụm, sau đó các nút biên sẽ quảng bá thông tin này trong mạng Để giảm tải lưu lượng mạng, ZHLS chỉ thực hiện quảng bá khi phát hiện sự thay đổi trong cụm lân cận và loại bỏ các thông điệp dư thừa từ các nút biên khác nhau Nghiên cứu này cũng đề xuất chiến lược bảo trì CWOHO, hoạt động tương tự như ZHLS nhưng có cách triển khai khác.
T ổ ng k ết Chương 1
Mạng MANET khác biệt rõ rệt so với mạng không dây truyền thống nhờ vào cấu trúc động, chất lượng liên kết và năng lượng pin hạn chế của các nút mạng, đồng thời có độ bảo mật vật lý không cao Mạng MANET đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế và xã hội.
Phân cụm là chiến lược hiệu quả cho mạng ad hoc di động (MANET), giúp cải thiện khả năng mở rộng và tính động Các giao thức định tuyến dựa trên phân cụm có khả năng mở rộng tốt hơn so với giao thức định tuyến phẳng Phân cụm tăng cường tính sẵn sàng thông tin mạng, như vị trí của các nút di động, và cho phép truyền thông tin quảng bá một cách có chọn lọc, giảm thiểu thông điệp dư thừa Ngoài ra, phân cụm còn hỗ trợ quản lý tài nguyên hiệu quả, đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) của ứng dụng Nhiều kỹ thuật phân cụm đã được nghiên cứu, bao gồm phân cụm dựa trên tập thống trị, phân cụm phân tán, phân cụm dựa trên cơ chế báo hiệu, phân cụm theo nhóm và phân cụm theo phân vùng địa lý.
Trong mạng có cấu hình động, thông tin trạng thái của các cụm như kết nối, băng thông và kích thước có thể thay đổi thường xuyên Nhiều chiến lược bảo trì thông tin mạng đã được nghiên cứu và đề xuất, có thể chia thành hai nhóm: nhóm chiến lược dựa trên nút đứng đầu và nhóm chiến lược sử dụng phương pháp phân tán.
Chương này mô tả ba chiến lược bảo trì thông tin định tuyến quan trọng trong mạng MANET phân cụm, bao gồm chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu, chiến lược bảo trì phân tán toàn phần và chiến lược bảo trì phân tán một phần.
CHI ẾN LƯỢ C B ẢO TRÌ THÔNG TIN ĐỊ NH TUY Ế N TRONG
Xây d ự ng l ớ p ph ủ d ự a trên m ạ ng phân c ụ m
Chương này sẽ trình bày ba chiến lược bảo trì thông tin trong các mạng MANET dựa trên cụm Để đảm bảo tính tổng quát, kết nối giữa các cụm được chọn làm thông tin trạng thái, vì nhiều giao thức định tuyến sử dụng thông tin này để nâng cao hiệu suất Kết quả có thể áp dụng cho việc bảo trì các thông tin trạng thái khác của cụm, như băng thông và kích thước cụm Các thuật ngữ và ký hiệu trong chương này được liệt kê trong Bảng 2.1.
Kí hiệu/Thuật ngữ Định nghĩa
ClusterID / CellID Định danh cụm
HopCount / MinHops Số chặng (tối thiểu) đểđi tới một ClusterID
NextHopNgh Định danh nút của chặng kế tiếp lân cận
RegNghInfo Gói yêu cầu thông tin từ các nút lân cận 1 chặng
NghInfo Gói trả lời thông tin của các nút lân cận 1 chặng
NbdClusterInfo Gói lan truyền ClusterID của các cụm được kết nối MeshInfo Gói chứa thông tin về các cụm được kết nối
HeadInfo Gói để chọn nút đứng đầu trong một cụm
RoutingTable Bảng định tuyến tới một cụm lân cận
MeshStructure Bảng chứa kết nối logic giữa các cụm
RouteToHead Bảng được sử dụng để tìm tới nút đứng đầu
RouteToNbd-Cluster Bảng được sử dụng để nút đứng đầu tìm tới cụm lân cận
Bảng 2.1 Một số kí hiệu và thuật ngữ
Chương này bắt đầu bằng việc trình bày chiến lược bảo trì phân tán toàn phần và so sánh giữa giao thức CWOHO và giao thức ZHLS Tiếp theo, nội dung sẽ đề cập đến việc thực hiện chiến lược bảo trì dựa trên nút đứng đầu Cuối cùng, chương sẽ giới thiệu cách triển khai chiến lược bảo trì phân tán một phần Các phương pháp này chỉ là một trong nhiều cách triển khai có thể và được giới thiệu để tạo cơ sở cho nghiên cứu so sánh ba chiến lược bảo trì trong phần tiếp theo.
Cụm Y được coi là lân cận của cụm X nếu tồn tại một nút n1 trong X có một nút lân cận trong Y, với n1 được gọi là nút biên hoặc nút cổng của cụm X Các nút biên này cung cấp kết nối với các cụm khác trong mạng Hình 2.1 minh họa cấu trúc lưới của lớp phủ được hình thành từ việc kết nối các cụm Mỗi cụm được xác định bởi một định danh duy nhất, gọi là ClusterID, và đại diện cho một đỉnh trong lớp phủ kết nối Nút biên đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển tiếp thông tin giữa các cụm.
Hình 2.2 Phân tầng các kỹ thuật bảo trì và phân cụm
Các nút trong mạng có thể được phân cụm bằng bất kỳ thuật toán nào đã được trình bày trước đó Nghiên cứu này giả định rằng khu vực triển khai được chia thành các ô lưới địa lý cố định, với mỗi cụm được đại diện bởi một mã định danh duy nhất Mỗi nút sẽ lưu trữ thông tin về ClusterId của cụm mà nó thuộc về hoặc di chuyển vào Hình 2.2 minh họa khung nhìn phân tầng của các kỹ thuật phân cụm và bảo trì khác nhau.
Chi ến lượ c b ảo trìkhông có nút đầ u c ụ m CWOHO
Trong chiến lược bảo trì phân tán toàn phần, việc đưa ra quyết định cụ thể theo cách phân tán là một thách thức lớn Ví dụ, trong hai cụm với ClusterID 501 và 231, các nút được định danh bằng NodeID duy nhất Cụm 501 kết nối với cụm 231 và các nút biên 90, 34 và 49 Vấn đề đặt ra là làm thế nào để xác định sự kết nối giữa các cụm trong môi trường di động và cách chia sẻ thông tin này với các cụm khác Việc chọn một nút đứng đầu trong mỗi cụm có thể giúp đơn giản hóa quá trình ra quyết định và chia sẻ thông tin, nhưng trong môi trường phân tán toàn phần, không tồn tại nút đứng đầu.
Hình 2.3 Xây dựng bảng định tuyến trong CWOHO
Giao thức ZHLS sử dụng các nút biên để xác định khả năng kết nối của cụm với các cụm lân cận và cập nhật các thay đổi trong cụm lân cận Các nút biên chỉ dựa vào thông tin cục bộ mà không xem xét các nút biên khác, dẫn đến quyết định sai và quảng bá không cần thiết trong mạng Ví dụ, kết nối giữa hai cụm 501 và 231 chỉ bị lỗi nếu tất cả các nút biên trong cụm 501, tức là 90.
34 và 49, mất kết nối với 231 Do đó, tất cả các nút biên phải được xem xét để xác định kết nối giữa các cụm liền kề
Chiến lược phân tán toàn phần trong CWOHO duy trì kết nối giữa các cụm thông qua việc thu thập thông tin từ tất cả các nút biên, giúp quyết định kết nối với các cụm lân cận và loại bỏ các vấn đề quyết định sai Khác với ZHLS, CWOHO không sử dụng các nút biên để quảng bá thay đổi trong cụm lân cận; thay vào đó, bất kỳ nút nào trong cụm đều có thể thực hiện hoạt động quảng bá, tạo nên một chiến lược bảo trì phân tán toàn phần hiệu quả.
Một hoạt động quan trọng trong CWOHO là xác định các nút biên của cụm Các nút định kỳ thu thập thông tin về các nút lân cận bằng cách gửi gói tin ReqNghInfo, và nút lân cận sẽ phản hồi bằng gói NghInfo chứa ClusterID của cụm Thông tin này giúp xác định các nút biên của cụm Các nút cũng kiểm tra các gói NghInfo để xác định xem có nút lân cận nào thuộc về cụm khác không Ví dụ, nút 34 là nút biên cho cụm 501 vì nó nhận được gói NghInfo từ nút 45 thuộc cụm có ClusterID 231.
Mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến chứa thông tin về các chặng lân cận tiếp theo Trong giao thức CWOHO, các nút áp dụng Thuật toán 1 để xây dựng bảng định tuyến nhằm chuyển tiếp gói dữ liệu tới các cụm lân cận với số chặng nhỏ nhất Các nút biên của một cụm sử dụng gói NbdClusterInfo để quảng bá thông tin về cụm lân cận tới tất cả các nút trong cụm Gói NbdClusterInfo bao gồm thông tin định danh cụm (ClusterID) và số chặng (HopCount) bằng 1 Gói này sẽ bị loại bỏ nếu nó thuộc một cụm khác hoặc nếu nút đã nhận được gói từ nút lân cận với số chặng lớn hơn Nếu không, nút sẽ tăng HopCount lên 1 và kiểm tra thông tin về cụm lân cận trong bảng định tuyến của nó.
Xét một nút trong bảng định tuyến có thông tin về cụm lân cận X với số chặngnhỏ nhất là m Có các trường hợp sau sẽ xảy ra:
• Nếu m n + 1, nút sẽ nhận được đường tốt hơn với số chặng ít hơn Do đó, tất cả thông tin trong bảng định tuyến cho cụm tương ứng sẽ bị xóa và thông tin mới với số chặng nhỏ hơn sẽ được thêm vào bảng định tuyến.
Nếu m=n+1, chặng lân cận kế tiếp sẽ được thêm vào cụm tương ứng nếu chưa có trong bảng định tuyến Ngược lại, giá trị của nhãn thời gian sẽ được tăng lên.
Thuật toán 1: Thu thập thông tin cụm lân cận và xây dựng bảng định tuyến trong CWOHO
Các nút biên địa chỉ chia sẻ thông tin về các cụm lân cận cho các nút cùng cụm với nó Để thực hiện điều này, nút sẽ quảng bá gói NbdClusterInfo chứa ClusterID của các cụm lân cận (gọi là X) với HopCount là 1.
Nút trung gian P sử dụng gói NbdClusterInfo (M) để cập nhật bảng định tuyến RT của nó, theo dòng 6-24 Giả sử gói tin này xuất phát từ nút B với ClusterID là X và HopCount là n Giá trị trường ‘MinHops’ của cụm X trong RT của nút P là m.
6 if (gói tin đi tới đích trong cụ m) then
// HopCount qua B là nh ỏ nh ấ t
8 if (B có trong RT cho c ụ m X) then
9 C ậ p nh ậ t giá tr ị nhãn th ờ i gian timestamp ;
12 Chèn nút B vào RT cho c ụ m X;
// M ột đườ ng m ớ i t ớ i X v ớ i HopCount nh ỏ hơn
16 C ậ p nh ậ t RT cho c ụ m X v ớ i NextHop = B và MinHops = n+1;
Trong Thuật toán 1, quy trình thu thập thông tin lân cận của một cụm và xây dựng bảng định tuyến trong CWOHO được xử lý Các nút có thể có nhiều hơn một nút lân cận kế tiếp, đóng vai trò chuyển tiếp tới cùng một cụm lân cận Ví dụ, trong Hình 3, bảng định tuyến của nút 2 có hai chặng kế tiếp là 49.
Nút 90 hoạt động như một điểm chuyển tiếp đến cụm lân cận 231 với hai chặng đường Vì vậy, nút 2 có khả năng lựa chọn giữa nút 49 hoặc 90 để truyền dữ liệu tới cụm 231 Bảng 2.2 cung cấp một ví dụ về bảng định tuyến của nút 2.
Bảng 2.2 Ví dụ về bảng định tuyến của nút 2
Bảng định tuyến được cập nhật thường xuyên dựa trên giá trị nhãn thời gian (timestamp) Nếu nhãn thời gian của một chặng lân cận kế tiếp đạt đến ngưỡng nhất định, nó sẽ bị xóa khỏi bảng định tuyến Tình huống này xảy ra khi một nút không nhận được gói NbdClusterInfo từ các nút lân cận Ngoài ra, ClusterID có thể bị xóa khỏi bảng định tuyến nếu không còn chặng lân cận nào để đến cụm tương ứng, đặc biệt khi cụm đó không có nút biên làm trung gian giữa hai cụm.
Mỗi nút trong mạng không chỉ duy trì bảng định tuyến mà còn có cấu trúc dạng mesh, cho phép hiển thị kết nối logic giữa các cụm lân cận Bảng định tuyến cung cấp thông tin về các cụm lân cận, trong khi cấu trúc mesh giúp tổng hợp thông tin từ các cụm quảng bá trong mạng Mỗi cụm i được gán một nhãn thời gian, được cập nhật khi nút nhận thông điệp quảng bá từ cụm đó, phản ánh khoảng thời gian tối đa mà nút mong đợi nhận thông điệp cập nhật tiếp theo.
Thuật toán 2 là thuật toán để phân tán và cập nhật thông tin láng giềng của các cụm trong CWOHO Như được trình bày trong Thuật toán 2 (dòng 1-
Mỗi nút trong mạng sẽ định kỳ kiểm tra giá trị nhãn thời gian của cụm hiện tại trong cấu trúc mesh Khi giá trị này đạt ngưỡng xác định trước, nút có thể sử dụng bảng định tuyến để cập nhật danh sách các cụm lân cận và phát đi thông điệp ‘MeshInfo’ nhằm chia sẻ thông tin với tất cả các nút trong mạng.
Thuật toán 2: Phân tán và cập nhật thông tin láng giềng của các cụm trong CWOHO
/* Các nút đị nh kì ki ể m tra nhãn th ờ i gian c ủ a c ụ m hi ệ n t ạ i c ủ a chúng (c ụ m X) trong c ấ u trúc mesh (MS) */
1 if (MeshInfo_TimeOut = TRUE đố i v ớ i c ụ m X) then
2 S ử d ụng ‘Routing Table’ để c ậ p nh ậ t thông tin láng gi ề ng c ủ a X trong MS;
3 C ậ p nh ậ t timestamp cho X trong MS;
4 Qu ả ng bá thông tin láng gi ề ng c ủ a c ụ m X b ằ ng cách s ử d ụ ng MeshInfo;
/* Khi nh ậ n m ộ t gói MeshInfo ch ứ a thông tin k ế t n ố i c ủ a m ộ t c ụ m (X), các nút s ẽ c ậ p nh ậ t MS c ủ a mình */
6 S ử d ụng MeshInfo để c ậ p nh ậ t thông tin k ế t n ố i c ủ a X trong MS;
7 C ậ p nh ậ t timestamp cho X trong MS;
Khi nhận gói ‘MeshInfo’, nút sẽ cập nhật cấu trúc mesh và giá trị nhãn thời gian cho cụm tương ứng, nhằm giảm số lượng thông điệp quảng bá từ một cụm Các nút có thể áp dụng kỹ thuật loại bỏ như trong ZHLS để giảm thiểu thêm thông điệp quảng bá dư thừa Nhãn thời gian cũng được sử dụng để loại bỏ thông tin cũ, với các nút định kỳ kiểm tra nhãn thời gian của mỗi cụm để xác định tính hoạt động Một cụm được coi là không hoạt động nếu nhãn thời gian của nó hết hạn, cho thấy nút chưa nhận được thông báo MeshInfo từ cụm đó, và các nút sẽ loại bỏ thông tin của các cụm không hoạt động khỏi cấu trúc lưới.
Chi ến lượ c b ảo trì có nút đầ u c ụ m CWHO
Trong chiến lược bảo trì với nút đầu cụm CWHO, việc duy trì thông tin trạng thái giữa các cụm là cần thiết thông qua các đầu cụm Mỗi nút sẽ định kỳ thu thập thông tin từ các nút lân cận trong chặng của mình, thông tin này được sử dụng để lựa chọn nút đứng đầu và xác định các nút biên của cụm Nút có NodeID cao nhất trong cụm sẽ được chọn làm nút đứng đầu, và thông tin của nút đứng đầu sẽ được liên kết với một giá trị nhãn thời gian.
Quy trình lựa chọn nút đứng đầu cụm bắt đầu khi mỗi nút kiểm tra định kỳ các gói NghInfo từ các nút lân cận và cố gắng chọn chính nó làm nút đứng đầu nếu NodeID của nó lớn hơn các nút lân cận và nhãn thời gian cho nút đứng đầu đã hết hạn Khi một nút tự chọn làm nút đứng đầu, nó sẽ quảng bá thông tin trong cụm qua gói ‘HeadInfo’ chứa NodeID của mình Nút trung gian có thể loại bỏ gói HeadInfo nếu nó nhận được thông tin về một nút có NodeID lớn hơn, hoặc cập nhật thông tin nút đứng đầu và nhân bản gói ‘HeadInfo’ Khi gói tin ‘HeadInfo’ đi qua, các nút trung gian xây dựng bảng ‘RouteToHead’ để xác định chặng kế tiếp đến nút đứng đầu với số chặng nhỏ nhất, tương tự như quá trình hình thành bảng định tuyến đã được trình bày.
Ngoài ra, mỗi nút cũng duy trì một bảng ‘RouteToNbdCluster’ chứa thông tin đường xuôi chiều đi tới các cụm lân cận được bắt đầu từ nút đầu cụm
Bảng RouteToNbdCluster được xây dựng từ các nút biên của cụm định kỳ, nơi các gói tin NbdClusterInfo chứa thông tin cụm lân cận được gửi tới nút đứng đầu Khi một nút nhận gói NbdClusterInfo, nó sẽ chèn thông tin đường xuôi chiều vào bảng của mình, bao gồm NodeID của chặng kế tiếp và ClusterID có trong gói Bảng này cung cấp thông tin cần thiết để định tuyến đến cụm lân cận, tương tự như bảng định tuyến trong CWOHO, giúp tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin.
Mỗi nút cũng định kỳ cập nhật bảng RouteToNbdCluster theo giá trị nhãn thời gian
Các nút đứng đầu cụm định kỳ sử dụng bảng RouteToNbdCluster để xác định các cụm lân cận và gửi thông tin này đến tất cả các nút đứng đầu cụm trong mạng thông qua gói ‘MeshInfo’ Thông tin này thể hiện kết nối logic của một cụm với các cụm lân cận, tương tự như cách triển khai trong CWOHO.
Trong một cụm, chỉ có nút đứng đầu duy trì cấu trúc lưới, vì vậy việc định tuyến giữa các cụm phải thông qua nút này Nút không phải là nút đầu cụm sử dụng bảng RouteToHead để định tuyến dữ liệu đến nút đứng đầu Tương tự như trong CWOHO, nút đứng đầu gắn thông tin đường đi vào các gói dữ liệu và định tuyến chúng tới một cụm lân cận thông qua cấu trúc mesh của nó.
‘RouteToNbdCluster’ là thông tin đường đi từ nút đứng đầu cụm đến các cụm lân cận Dữ liệu về lộ trình được truyền qua nút đứng đầu của mỗi cụm trung gian.
Lỗi đường đi xảy ra khi không có chặng kế tiếp để chuyển tiếp gói dữ liệu đến cụm trung gian Trong trường hợp này, nút không phải là nút đứng đầu có thể loại bỏ thông tin đường đi từ gói dữ liệu và gửi gói đến nút đầu của cụm để gán một đường dẫn khác, giúp định tuyến gói dữ liệu đến đích.
Hình 2.4 Định tuyến trong CWHO
Hình 2.4 minh họa quá trình định tuyến giữa các cụm trong CWHO, với ba cụm có ClusterID 45, 91 và 561 Nút đầu trong mỗi cụm được biểu thị bằng vòng tròn màu xanh lá cây Khi một nút S không phải là nút đầu cụm 45 muốn gửi gói dữ liệu đến cụm 561, nó sẽ sử dụng bảng RouteToHead để gửi yêu cầu đến nút đứng đầu cụm Nút đứng đầu sẽ kiểm tra thông tin đường đi trong gói dữ liệu; nếu chưa có, nó sẽ xác định thông tin đường đi từ cụm nguồn đến đích và đính kèm vào gói Sau đó, nút đứng đầu truyền gói dữ liệu cho nút lân cận tiếp theo thông qua bảng RouteToNbdCluster Mỗi nút trung gian sẽ kiểm tra thông tin đường đi trong gói để xác định xem ClusterID của cụm tiếp theo có trùng với cụm hiện tại hay không.
Gói dữ liệu sẽ được gửi đến nút đứng đầu cụm dựa trên thông tin trong bảng RouteToHead Nút này sẽ loại bỏ ClusterID khỏi thông tin đường đi và sử dụng đường đi xuôi chiều để chuyển gói dữ liệu đến cụm lân cận tiếp theo.
Nếu không, nút trung gian sử dụng RouteToNbdCluster để chuyển tiếp gói dữ liệu đến cụm lân cận tiếp theo.
Chi ến lượ c b ả o trì c ụ m t ừ thông tin c ụ m lân c ậ n CNI
Chiến lược CWOHO và CWHO duy trì cấu trúc mesh logic của lớp phủ để thực hiện định tuyến giữa các cụm Trong CWOHO, cấu trúc mesh được phân tán cho tất cả các nút trong mạng, trong khi CWHO chỉ bảo trì bởi các nút đầu cụm Chiến lược CNI cho phép các nút chỉ duy trì thông tin về cụm hiện tại mà không cần thông tin về các cụm khác Hoạt động thu thập của CNI tương tự như CWOHO, với các nút xây dựng bảng định tuyến theo cách phân tán từ thông tin thu thập được từ các nút biên Bảng định tuyến trong CNI chứa các chặng kế tiếp để đến cụm lân cận với số chặng tối thiểu, được minh họa trong Bảng 2.2 CNI sử dụng Thuật toán 1 để thu thập thông tin về các cụm lân cận và xây dựng bảng định tuyến, đồng thời bảng định tuyến được cập nhật định kỳ thông qua việc kiểm tra giá trị nhãn thời gian tương ứng.
Trong CNI, các nút không lưu trữ thông tin về các cụm khác trong mạng, do đó cần bổ sung thông tin để định tuyến dữ liệu đến các cụm xa Theo [1], có một số chiến lược định tuyến liên cụm có thể áp dụng, bao gồm: (a) xác định đường đi logic giữa cụm nguồn và cụm đích theo yêu cầu, tuy nhiên, kỹ thuật này có thể làm tăng độ trễ và chi phí định tuyến (b) Chuyển tiếp các gói theo kiểu “tham lam” bằng cách sử dụng bản đồ topo của mạng, có thể được xây dựng thông qua thuật toán phân tán hoặc thông tin địa lý Nghiên cứu này đã xây dựng bản đồ topo trong CNI bằng cách gán clusterID theo mô hình tuần tự, với ví dụ về clusterID được trình bày trong Bảng 2.3 dựa trên ma trận hai chiều.
Mỗi nút được giả định rằng đã biết tổng số cụm trong mạng và mẫu gán clusterID
Bảng 2.3 ClusterID dạng tuần tự trong CNI
Các nút sử dụng bản đồ topo và chiến lược chuyển tiếp tham lam để định tuyến giữa các cụm, với mục tiêu chuyển tiếp gói dữ liệu đến đích qua số chặng ít nhất Mỗi cụm trung gian sẽ gửi gói đến cụm lân cận, dựa trên thông tin từ bản đồ topo và clusterID được đính kèm Các nút trung gian kiểm tra xem gói đã đến cụm lân cận đã chọn hay chưa Nếu không có thông tin trong bảng định tuyến để đến cụm lân cận, nút sẽ tìm một đường khác để chuyển tiếp gói dữ liệu.
Giả sử nút X thuộc cụm (3,2) trong Bảng 2.3 và cần gửi gói dữ liệu đến cụm (2,4) Nút X xác định các cụm lân cận thông qua bảng định tuyến của nó, với cụm (3,2) kết nối đến cụm (2,3) và (3,3), và chọn (2,3) làm cụm trung gian Khi nhận gói dữ liệu, nút trung gian trong cụm (3,2) so sánh clusterID của nó với clusterID trong gói để xác định xem gói có vượt qua ranh giới cụm hay không Nếu không, nó sẽ sử dụng bảng định tuyến để chuyển tiếp gói đến cụm (2,3) Ngược lại, nút biên trong cụm (2,3) sẽ thực hiện thao tác tương tự để chuyển tiếp gói đến cụm trung gian tiếp theo.
Phân tích chi phí điều khiển của các chiến lược
Trong phần này, chúng ta sẽ thảo luận và phân tích độ phức tạp của việc thực hiện các chiến lược bảo trì đã được trình bày Các nút trong mạng được giả định là tĩnh và phân bố đồng đều trong tất cả các cụm Các ký hiệu sau sẽ được sử dụng trong phân tích.
• n: Số lượng nút trong mạng
• b: Số nút biên trung bình trong mỗi cụm
• rn, rc, rm: Tỷ lệ tạo thông điệp NghInfo, NbdClusterInfo, MeshInfo
• fh, fr, fc: Tỷ lệ tạo các thông điệp khiển HeadInfo, RouteToHead,RouteToNbdCluster trong CWHO
Giao thức CNI sử dụng hai thông điệp điều khiển chính là NghInfo và NbdClusterInfo NghInfo là thông điệp quảng bá, cho phép các nút định kỳ chia sẻ thông tin trạng thái với các nút lân cận, với chi phí hoạt động là n×r n Trong khi đó, NbdClusterInfo cung cấp thông tin về các cụm lân cận, hỗ trợ các nút xây dựng bảng định tuyến Thông điệp này được khởi tạo bởi các nút biên và được chuyển tiếp bởi các nút khác trong cụm, với chi phí hoạt động là b.r c (n/c).
- 1).c = b.r c (n - c) Chi phí hoạt động của giao thức CNI trong khoảng thời gian t được tính bằng tổng chi phí hoạt động của hai thông điệp điều khiển là: (n.r n
Trong giao thức CWOHO, các thông điệp điều khiển bao gồm NghInfo, NbdClusterInfo và MeshInfo Chi phí sử dụng thông điệp NghInfo và NbdClusterInfo tương tự như chi phí của CNI Thông điệp MeshInfo chứa thông tin kết nối của một cụm với các hàng xóm, và được xử lý cũng như chuyển tiếp bởi tất cả các nút trong mạng Chi phí hoạt động của một thông điệp MeshInfo trên mỗi cụm là c.n.r m Tổng chi phí hoạt động của giao thức CWOHO được tính bằng công thức (n.r n + b.r c (n − c) + n.c.r m ).t.
Trong CWHO, các thông điệp điều khiển bao gồm NghInfo, HeadInfo, RouteToHead và RouteToNbdCluster Chi phí hoạt động của thông điệp NghInfo tương tự như trong CNI và CWOHO Thông điệp HeadInfo được sử dụng để chọn nút đầu cụm, với chi phí xác định giống như thông điệp NbdClusterInfo trong CWOHO Nếu có k nút trong một cụm cố gắng tự chọn làm nút đầu, chi phí do thông điệp này tạo ra là \((k.n/c \times f_h) \cdot c\).
Các thông điệp điều khiển RouteToHead và RouteToNbdCluster là thông điệp unicast RouteToHead được sử dụng bởi các nút biên để gửi thông tin cụm lân cận đến nút đầu cụm, trong khi RouteToNbdCluster được nút đầu cụm dùng để truyền thông tin kết nối đến các nút đầu cụm khác Tổng chi phí hoạt động của hai thông điệp này được tính với giả định rằng h là số chặng tối đa giữa một nút đầu cụm và các nút biên Chi phí hoạt động của RouteToHead là \$b.h.f r.c\$, và trong trường hợp xấu nhất, chi phí của RouteToNbdCluster là \$2h.(c-1).f c.c\$, khi các cụm được đặt thẳng hàng Do đó, chi phí hoạt động lớn nhất của giao thức CWHO là \$(n.r n + n.k.f h + b.h.c.f r + 2.h.c.(c − 1).f c ).t\$.
Chi phí hoạt động của giao thức CWOHO cao hơn so với hai phương pháp còn lại Trong thực tế, các cụm trong CWHO có nhiều nút biên nhưng chỉ có một nút đứng đầu Để duy trì thông tin cập nhật về nút đầu cụm, tần suất tạo ra các thông điệp HeadInfo và RouteToHead (fh, fr) cần phải lớn hơn tần suất tạo ra thông điệp NbdClusterInfo (rc) Khi giả sử fh = fr = rc để so sánh tổng chi phí hoạt động của CWHO và CNI, ta nhận thấy rằng tổng chi phí của CWHO lớn hơn CNI.
T ổ ng k ết Chương 2
Trong chiến lược bảo trì thông tin định tuyến CWOHO và CWHO, thông tin trạng thái cục bộ của các cụm được chia sẻ toàn mạng, điều này cần thiết cho các ứng dụng như định tuyến và xác định vị trí nút Ngược lại, trong giao thức CNI, thông tin trạng thái chỉ được chia sẻ với các nút thuộc cụm lân cận, điều này quan trọng cho các ứng dụng phụ thuộc vào thông tin láng giềng như định tuyến dựa trên độ sẵn sàng của nút và băng thông Đối với CWHO, việc thu thập và phân phối thông tin được thực hiện bởi các nút đầu được chọn trong mỗi cụm, trong khi CWOHO áp dụng chiến lược phân tán cho cả hai hoạt động này Chiến lược bảo trì thông tin định tuyến CNI sử dụng kỹ thuật phân tán để thu thập thông tin nhưng không chia sẻ giữa các cụm.
Trong chiến lược CNI, bản đồ topo cung cấp thông tin về hướng của các cụm và là một cấu trúc cố định, không thay đổi theo tính di động của các nút CNI phụ thuộc vào thuật toán phân cụm lớp dưới để xây dựng bản đồ topo của mạng Ngược lại, cấu trúc mesh của giao thức CWHO và CWOHO có thể thay đổi theo mức độ di động của các nút và độc lập với thuật toán phân cụm.
Chi phí hoạt động của chiến lược CWOHO cao hơn so với chiến lược CWHO và CNI, trong khi chi phí hoạt động của chiến lược CWHO cũng lớn hơn so với chiến lược CNI.