giao thức định tuyến nguồn động dsr, giải pháp định tuyến cho mạng hình lưới không dây wmn

Một phần không thể thiếu đểđảm bảo sự hoạt động của mạng đó là giao thức mạng, chương này ta sẽ tìm hiểu hai loạigiao thức định tuyến cơ bản được sử dụng trong WMN là giao thức định tuyế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Th.S NGUYỄN ĐỨC QUANG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NĂM 2008

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NGUỒN ĐỘNG DSR, GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG

HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY WMN

„ CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT

Ta sẽ tìm hiểu sâu hơn về các kiến trúc của mạng hình lưới không dây như: mạngBackbone-WMN, mạng Backbone-WMN với người sử dụng cuối ….và nêu ra một vàicấu hình mạng cơ bản Đặc biệt ta sẽ tìm hiểu về hai chuẩn công nghệ phổ biến hiện nay trong WMN là chuẩn IEEE802.11s dành cho mạng không dây cục bộ (WLAN) và chuẩnIEEE801.16 dành cho mạng không dây đô thị (WMAN) Một phần không thể thiếu đểđảm bảo sự hoạt động của mạng đó là giao thức mạng, chương này ta sẽ tìm hiểu hai loạigiao thức định tuyến cơ bản được sử dụng trong WMN là giao thức định tuyến theo yêucầu (reactive) và giao thứ định tuyến theo bảng ghi (proactive) và một loại giao thức laicủa hai loại giao thức này đó là HWMP Cuối chương ta sẽ thảo luận một vấn đề nóngbỏng đó là an ninh, bảo mật trong truyền thông của các mạng không dây tùy biến ngàynay, đặc biệt là mạng hình lưới không dây

NỘI DUNG (TT)

„ CHƯƠNG 3: GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN

Chương này ta sẽ tập trung vào tìm hiểu giao thức định tuyến nguồn độngDSR (Dynamic Source Routing), giải pháp định tuyến cho mạng hình lưới khôngdây WMN Tìm hiểu về hai cơ chế hoạt động của giao thức: cơ chế phát hiện đườngtruyền (RD: Route Discovery) và cơ chế duy trì đường truyền (RM: Route

Maintenace) Trong mỗi cơ chế ta sẽ tìm hiểu những đặc điểm riêng biệt của từng

cơ chế, và sự tác động tương hổ của các đặc điểm này, để hai cơ chế có thể phốihợp hoạt động với nhau một cách có hiệu quả, và trở thành hai động cơ mạnh mẻcấu thành giao thức Ngoài ra, ta sẽ tìm hiểu thêm về các đặc điểm mở rộng củagiao thức DSR như: các khái niệm về cấu trúc dữ liệu trong việc truyền các thôngđiệp định tuyến, việc mở rộng trạng thái lưu lượng của giao thức Liệt kê một vàicác hằng số và biến cấu hình của giao thức

„ CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.

Ta sẽ xây dựng một kịch bản mô phỏng một mạng hình lưới không dâyWMN trong thực tiễn sử dụng giao thức truyền thông DSR làm giao thức định

tuyến Và ta sẽ minh họa mô hình này trên công cụ mô phỏng giao thức mạng NS2 (Network Simulator version 2)

GIỚI THIỆU

„ Sự phát triển của các thiết bị hổ trợ công nghệ không dây: PDA, laptop…

„ Yêu cầu về việc mở rộng mạng và thay đổi công nghệ không dây.

„ Công nghệ WiMAX: Với ưu điểm về tốc độ truyền cao và phạm vi phủ sóng rộng,

WiMAX là lựa chọn số một cho các ứng dụng mạng không dây có số lượng người sử

dụng lớn, cung cấp đồng thời nhiều dịch vụ khác nhau (thoại, video, Internet) trên cùngmột đường truyền không dây Tuy nhiên, với các ứng dụng mạng có phạm vi vừa và nhỏ, công nghệ WiMAX không phải là một giải pháp phù hợp do giá thành thiết bị đầu cuốicao, chi phí thiết lập mạng lớn

„ Công nghệ WLAN (Wireless LAN): Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa

và nhỏ, công nghệ WLAN (IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù hợp về đặcđiểm kỹ thuật cũng như chi phí sử dụng Tuy nhiên, do hạn chế về tầm phủ sóng, côngnghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng mạng

„ Công nghệ WMN (Wireless Mesh Network): Kỹ thuật mạng hình lưới không dây

WMN có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủsóng cho các mạng WLAN chuẩn Dựa trên các thiết bị có sẵn của WLAN cùng với một

số cải tiến về cả phần cứng, phần mềm; xây dựng giao thức truyền thông mới, kỹ thuậtmạng hình lưới không dây có thể cải thiện đáng kể tầm phủ sóng của mạng ban đầu Vớicác ưu điểm như: có khả năng tự tổ chức, tự cấu hình, tự hàn gắn, triển khai nhanh chóng, bảo trì dể dàng, chi phí thấp, và dịch vụ đáng tin cậy

GIỚI THIỆU (tt)

„ Thành phần WMN: WMN bao gồm các client mắt lưới và các router mắt lưới, trong đó

các router mắt lưới đóng vai trò như một trục xương sống/cơ sở hạ tầng không dây và liênkết với các mạng có dây để cung cấp sự kết nối internet không dây đa hop cho các client mắt lưới

„ Ứng dụng WMN: công nghệ mạng hình lưới không dây cũng rất có tiềm năng ứng dụng

và hổ trợ trong các lĩnh vực như: mạng tế bào, mạng gia đình, mạng doanh nghiệp, mạngtruyền thông và các mạng hệ thống vận tải thông minh

„ Giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing): với ưu điểm đơn

giản, hiệu quả cao, và tiết kiệm băng thông, được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong mạngtùy biến không dây đa hop Nó có khả năng tự tổ chức, tự cấu hình hoàn toàn mà khôngcần tới bất kì sự quản trị mạng hoặc cơ sở hạ tầng nào

„ Cơ chế hoạt động của DSR: DSR hoạt động hoàn toàn theo yêu cầu (on-demand) và dựa

trên hai cơ chế chính: phát hiện đường truyền (Route Discovery: RD) và duy trì đườngtruyền (Route Maintenance: RM)

„ Ưu điểm của DSR: giao thức cho phép nơi gởi lựa chọn và điểu khiển các tuyến đường

để tìm một tuyến đường tốt nhất trong các tuyến đường phức hợp mà nó lưu trử để đi đếnđích, cho phép việc truyền cân bằng tải (load-balancing)…

„ Mục tiêu của đồ án:

Nghiên cứu về giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing), tìm hiểu được các cơ chế hoạt động của nó và việc triển khai thực tế của giao thức trên các mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) Nêu bật lên được những khó khăn, thách thức trong việc triển khai và thiết kế kiến trúc cho mạng WMN Đồng thời chỉ ra được những ưu điểm, đặc thù riêng biệt của công nghệ mạng hình lưới không dây so với các loại mạng không dây truyền thống khác Cuối cùng ta sẽ cài đặt một mô hình để minh họa việc triển khai DSR trong mạng WMN trên công cụ mô phỏng mạng NS2 (Network Simulator version 2).

MẠNG HÌNH LƯỚI KHÔNG DÂY WMN.

(WIRELESS MESH NETWORK)

GIỚI THIỆU NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ ĐẶC THÙ CỦA WMN

„ GIỚI THIỆU:

„ WMNs bao gồm những máy khách(clients) mắt lưới và các router mắt lướinhư trong hình bên Trong cấu trúc này, thông qua các router mắt lưới tĩnh dạngtrục xương sống (backbone) không dây, những máy khách mắt lưới truy xuất đếnmạng internet(hoặc một mạng bất kìđược tích hợp với WMN) có chất lượngtốt như truy xuất trực tiếp giữa các mắtlưới với nhau

„ Thông qua các chức năng cầu nối(bridge) và cổng vào (gateway) của cácrouter mắt lưới cho phép sự tích hợp củanhững mạng hình lưới không dây vớinhững mạng không dây có sẳn khác, như mạng cảm biến không dây, mạngwi-fi, và WiMax

NHỮNG VẦN ĐỀ ĐẶT RA VÀ THÁCH THỨC TRONG

THIẾT KẾ KIẾN TRÚC CHO WMN

„ Mặc dù so với mạng không dây truyền thống mạng hình lưới không dây mang lại một số ưu điểm nhưng vẫn tồn tại một vài vấn đề và thách

thức được đặt ra khi thiết kế kiến trúc mạng:

„ Khả năng thay đổi.

„ Kết nối mạng tự động và khả năng tự cấu hình.

„ Những yêu cầu về chất lượng dịch vụ của các mạng hỗn tạp.

„ Sự hỗ trợ về di động.

„ Các công cụ quản lí mạng.

CÁC KIẾN TRÚC TRONG WMN.

„ Mạng hình lưới không dây xương

BS) cũng hoạt động như một thiết

bị chuyển tiếp không dây đểchuyển tiếp lưu thông của trạm cơbản lân cận tới cửa ngỏ (gateway) trung tâm

„ Các trạm cơ bản có thể đồng thờitích hợp các công nghệ truy xuấtsóng vô tuyến như

2G/3G/WLAN/4G để cung cấpcác dịch vụ âm thanh và dữ liệutốc độ cao

„ Triển khai nhiều gateway hơntrong WMNs có thể cải thiệnkhông chỉ khả năng mạng mà còntăng độ tin cậy Điều này có nghĩa

là, nếu một cửa ngỏ bị lỗi, sự lưuthông vẫn có thể được phân phốibởi các cửa ngỏ và đường truyềnkhác

CÁC KIẾN TRÚC TRONG WMN (tt)

„ Mạng hình lưới không dây xương

sống với người sử dụng cuối „ Trong hình bên cả trạm cơbản và người sử dụng cuối

đóng một vai trò của sựchuyển tiếp không dây đểchuyển tiếp lưu thông của cácnút lân cận Điều đó có nghĩa

là, những người sử dụng cuốicũng có khả năng định tuyến

cơ sở hạ tầng do cần ít trạm

cơ bản hơn

„ Nhưng vấn đề di động trongWMNs của người sử dụngcuối đang là một thách thức,

do hình thái (topology) mạng

và sự kết nối sẽ thay đổithường xuyên khi người sửdụng di chuyển

CÁC KIẾN TRÚC TRONG WMN (tt)

„ Mạng hình lưới không dây chuyển tiếp „ Các trạm chuyển tiếp trong WMNs này

hoạt động như BS/AP (Base Station/Access Point) ít quan trọng, chophép một thiết kế tiết kiệm cho sự

chuyển tiếp Những hệ thống chuyểntiếp có thể tận dụng những sự phối hợpkhuếch đại và chuyển tiếp (amplify-and-forward) hoặc giải mã và chuyểntiếp (decode-and-forward)

„ Trạm chuyển tiếp có thể là các router, cầu nối hoặc thiết bị lặp tín hiệu số, tất

cả chúng sẽ mã hóa hoăc giải mã hoàntoàn những tín hiệu nhận được trướckhi chuyển tiếp

„ Mục tiêu của những nút chuyển tiếpđược triển khai là mở rộng sự bao phủthật tốt để cải thiện số người sử dụngđầu vào, làm tăng khả năng liên kếtgiửa trạm chuyển tiếp và người sửdụng Khi đó, những mục tiêu của tốc

độ truyền tải dữ liệu đồng dạng vàmạnh mẽ trong mạng không dây có thểđạt được với sự tiết kiệm chi phí hơn

CÁC CHUẨN TRONG WMN

„ Công nghệ mạng hình lưới theo chuẩn

IEEE802.11s „ Chuẩn IEEE802.11s nhằm định nghĩatầng vật lí (PHY) và các giao thức tầng

MAC (Media Access Control) chomạng cục bộ không dây (WLAN)

„ Chuẩn IEEE802.11s chia các nút thànhhai lớp: những điểm hình lưới (MPs: Mesh Points) là những nút hổ trợ dịch

vụ hình lưới không dây, như lựa chọn

và chuyển tiếp định tuyến mắt lưới, trong khi những nút không phải mắtlưới là những trạm (STAs) client thuầntúy Ngoài ra những dịch vụ mắt lưới, điểm truy xuất hình lưới (Mesh Access Point: MAP) cũng cung cấp các dịch

vụ truy xuất không dây

„ Các trạm client ( STAs) thuần túykhông tham gia trong WLAN hìnhlưới, nhưng chúng có thể liên kết vớiAPs mắt lưới để kết nối tới nhữngmạng hình lưới WLAN hình lưới cóthể kết nối tới những mạng khác bằngcổng chính mắt lưới (Mesh

Portals:MPP ) Những mắt lướiWLAN phức hợp cũng có thể được kếtnối bằng MPP

CÁC CHUẨN TRONG WMN (tt)

„ Công nghệ mạng hình lưới theo chuẩn

IEEE802.16: Chuẩn WMAN 802.16 nhằm định

nghĩa những giao thức tầng vật lí và MAC để

cung cấp các dịch vụ không dây băng thông rộng

trong khu vực thành phố

„ Hình bên trình bày một ví dụ của mạngIEEE802.16 trong hình, SS trong kiểuPMP phải kết nối trưc tiếp tới BS Trái lại,

SS có thể truyền thông với các SS lân cậntrong kiểu hình lưới Xa hơn nữa, SS trongkiểu hình lưới có thể hoạt động như trạmchuyển tiếp để chuyển tiếp lưu thông củanút khác về phía BS trung tâm Do đó, vùng bao phủ của BS có thể được mởrộng, để chi phí cơ sở hạ tầng được giảm

về cơ bản

„ Tuy nhiên, kiểu mạng lưới đã phát triểnhiện tại trong chuẩn IEEE802.16 khôngthích hợp với kiểu PMP ban đầu, Ngoài ra, kiểu hình lưới không hổ trợ tính di độngcủa SS Do đó, nhóm làm việc IEEE802.16 (Working Group) thiết lập nhóm nghiêncứu (Study Group) sự chuyển tiếp đa hop

di động (MMR), và tạo ra 802.16j TG

Khác với kiểu hình lưới, kiểu MMR trong

sự mở rộng IEEE802.16j tập trung vàocung cấp một cách có hiệu quả những kếtnối chuyển tiếp đa hop giửa các trạm diđộng (MS)/các trạm thuê bao (SS) và trạm

cơ bản (BS) với một topo hình cây

ĐỊNH TUYẾN VÀ BẢO MẬT TRONG WMN

„ Có rất nhiều giao thức định tuyến trong mạng di động không dây tuỳ biến Song nhìnchung có 2 phương thức chính, đó là: Kiểu định tuyến điều khiển bằng bảng ghi và

Kiểu định tuyến theo yêu cầu khởi phát từ nguồn

„ Phương pháp định tuyến theo yêu cầu khởi phát từ nguồn:

Phương pháp này chỉ tạo ra các tuyến khi nút nguồn cần đến Khi một nút yêu cầu một tuyến đến đích, nó phải khởi đầu một quá trình khám phá tuyến Quá trình này chỉ hoàn tất khi đã tìm ra một tuyến sẵn sàng hoặc tất cả các tuyến khả thi đều đã được kiểm tra

Khi một tuyến đã được khám phá và thiết lập, nó được duy trì bởi một số dạng thủ tục cho đến khi hoặc là tuyến đó không thể truy nhập được từ nút nguồn hoặc là không cần thiết đến

ĐỊNH TUYẾN VÀ BẢO MẬT TRONG WMN (tt)

„ Những thách thức và mục tiêu bảo mật : Cho bất kì ứng dụng nào ( không nhất thiết trên

mạng WMN ), một vài mục tiêu sau đây được yêu cầu để đảm bảo an ninh:

„ Sự riêng tư hay sự bí mật

„ Tính toàn vẹn

„ Tính sẳn sàng

„ Sự thẩm định quyền (xác thực)

„ Sự cấp quyền

„ Những thách thức bảo mật đặc trưng của mạng hình lưới không dây:

„ Đầu tiên, giống như bất kì mạng không dây nào, các phương tiện không dây được chia sẽlàm cho nó dễ bị các kẻ tấn công mở cuộc tấn công làm tắc nghẽn, sự nghe trộm truyền

thông giửa các router mắt lưới và xen thông tin độc (mã độc) vào trong phương tiện đượcchia sẽ

„ Thứ hai, một cơ chế thẩm định quyền được thi hành với sự giúp đở của cơ sở hạ tầng khóacông khai (Public Key Infrastructure:PKI), lá cái yêu cầu một thực thể tin cậy bao trùm đểgiải quyết vấn đề chứng nhận Tuy nhiên, nó không thực tế để duy trì một thực thể tin cậy bao trùm trong WMNs

„ Thứ ba, những router mắt lưới được đặt ở ngoài trời, thường trên đỉnh mái nhà hoặc cộtđèn giao thông Chúng không được bảo vệ vật lí như những router hửu tuyến và những

điểm truy xuất WLAN Do đó, nó dể dàng hơn cho những kẻ tấn công chiếm được các

router mắt lưới và dành được toàn bộ quyền điều khiển thiết bị Nếu một router bị điều

khiển hoàn toàn bởi những kẻ tấn công, những kẻ tấn công có thể phát động tấn công từrouter đó và thông tin được gửi bởi những kẻ tấn công sẽ được xem như đã thẩm định

quyền bởi các router khác Những kế hoạch thầm định quyền bằng mật mã vì thế bị phá vỡ

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NGUỒN ĐỘNG DSR

(DYNAMIC SOURCE ROUTING)

TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NGUỒN

ĐỘNG

„ Giao thức định tuyến nguồn động (Dynamic Source Routing:DSR) là một giao thứcđịnh tuyến đơn giản và hiệu quả được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong mạng tùybiến không dây đa hop của những nút di động Sử dụng DSR, mạng có khả năng tựcấu hình và tự tổ chức hoàn toàn, không yêu cầu có sự tồn tại của cơ sở hạ tầng

mạng hoặc sự quản trị mạng Các nút mạng hợp tác để chuyển tiếp các gói dữ liệucho mỗi nút khác để cho phép sự truyền thông qua nhiều hop giửa các nút khôngnằm trực tiếp trong phạm vi truyền không dây của một nút khác Khi các nút trongmạng di chuyển hoặc tham gia hoặc rời mạng, và khi các điều kiện truyền khôngdây như là các nguồn nhiễu thay đổi, tất cả các tuyến đường được tự động xác định

và duy trì bởi giao thức định tuyến DSR

„ Giao thức DSR gồm có hai cơ chế chủ yếu làm việc với nhau cho phép khám phá

và duy trì định tuyến nguồn trong mạng tùy biến:

„ Phát hiện đường đi RD (Route Discovery): Là cơ chế tìm đường khi nút gốc S

muốn gửi gói dữ liệu tới nút đích D nhưng chưa biết đường đi

„ Duy trì đường đi RM (Route Maintenance): Là cơ chế trong đó nút S có khả năngtìm đường mới khi đường truyền đang sử dụng bị gián đoạn do cấu hình mạng đãthay đổi hoặc kết nối giữa các nút trong đường truyền đó không hoạt động Khi pháthiện ra đường truyền cũ bị đứt, S có thể tìm một đường truyền tới D khác mà nóbiết hoặc thực hiện cơ chế RD để tìm ra đường mới

TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN NGUỒN

ĐỘNG (tt)

„ Trong DSR, mỗi cơ chế duy trì và phát hiện đường truyền hoạt động hoàn toàn

“theo yêu cầu” (on demand ) Đặc biệt không giống những giao thức khác, DSR không yêu cầu các gói gởi theo định kì dưới bất kì kiểu nào ở bất kì tầng nào trongmạng, Ví dụ, DSR không sử dụng bất kì sự quảng bá định tuyến theo định kì, khảnăng phán đoán trạng thái liên kết, hoặc các gói dò tìm nút lân cận nào, và khôngphụ thuộc vào các chức năng từ bất kì giao thức cơ sở nào trong mạng Cách hoạtđộng hoàn toàn theo yêu cầu này và không có sự hoạt động theo định kì cho phép

số các gói dữ liệu xuống mức không, khi tất cả các nút dường như đứng một chổđối với nhau và tất cả các tuyến đường cần cho truyền thông hiện tại đã được pháthiện