tìm hiểu phương pháp nâng cao hiệu năng của giao thức zrp với bl và sd

Đồng thời, việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề trở ngại cần giải quyết như tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhập địn

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGÔ ĐỨC HẢO

TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG

CỦA GIAO THỨC ZRP VỚI BL VÀ SD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌCPGS.TS VÕ THANH TÚ

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn

là trung thực, được các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Học viên

Ngô Đức Hảo

Trước tiên, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo hướng dẫn Phó giáo sư, Tiến sĩ Võ Thanh Tú, người đã tận tình dẫn dắt và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Khoa học – Đại học Huế, những người đã trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Xin được cảm ơn trường Cao đẳng sư phạm Thừa Thiên Huế, Khoa Ngoại ngữ - Tin học đã tạo mọi điều kiện để tôi được đi học và hoàn thành tốt khoá học

Xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị lớp cao học Khoa học máy tính khoá 2011 và các bạn đồng nghiệp đã luôn bên cạnh, động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài

Xin chân thành cảm ơn!

Học viênNgô Đức Hảo

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu đề tài 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 5

1.1 Giới thiệu về mạng MANET 5

1.1.1 Mạng MANET 5

1.1.2 Lịch sử phát triển: 5

1.1.3 Đặc điểm của mạng MANET: 6

1.2 Phân loại mạng MANET 8

1.2.1 Phân loại theo giao thức: 8

1.2.2 Phân loại theo chức năng của nút: 8

1.3.1 Thuật toán vector khoảng cách (Distance Vector): 9

1.3.2 Thuật toán trạng thái liên kết (Link State): 11

1.3.3 So sánh các thuật toán định tuyến: 12

1.4 Các giao thức định tuyến trên mạng MANET: 13

1.4.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table – driven Routing Protocols) 14 1.4.2 Giao thức định tuyến theo yêu cầu (On – Demand Routing Protocol) .15 1.4.3 Giao thức định tuyến lai ghép (HybridRouting Protocols) 15

1.5 Ứng dụng của mạng MANET 17

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 20

TÌM HIỀU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ZRP VỚI BL VÀ SD TRONG MẠNG MANET 20

2.1 Giao thức định tuyến lai ZRP (Zone Routing Protocol) 20

2.1.1 Phân vùng trong ZRP 21

2.1.2 Kiến trúc của ZRP 23

2.1.3 Cơ chế định tuyến 25

2.1.3.1 Định tuyến nội vùng IARP 28

2.1.3.2 Định tuyến liên vùng IERP 29

2.1.3.3 Giải pháp quảng bá biên BRP 30

2.1.4 Các cơ chế điều khiển truy vấn 33

2.1.4.1 Cơ chế phát hiện truy vấn (Query Dectection) 34

2.1.4.2 Cơ chế kết thúc sớm ET (Early Termination) 36

Processing Delay) 38

2.1.5 Bán kính vùng định tuyến 40

2.1.6 Ví dụ minh họa hoạt động của ZRP 41

2.2 Khám phá dịch vụ tại tầng định tuyến 43

2.3 Bộ lọc Bloom (BL) 44

2.4 ZRP và cơ chế hổ trợ khám phá cho dịch vụ sử dụng BL và SD 46

2.5 Kết luận chương 2 50

CHƯƠNG 3 51

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG MANET 51

3.1 Giới thiệu môi trường mô phỏng NS 51

3.1.1 Tổng quan về NS2 51

3.1.2 Kiến trúc của NS2 52

3.2 Mô phỏng mạng không dây trong môi trường NS 54

3.3 Mô phỏng giao thức định tuyến lai ZRP và SD-ZRP 54

3.4 Phân tích mô phỏng 55

3.4.1 Sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức ZRP 55 3.4.2 Sự tác động của vận tốc di chuyển của nút đến hiệu năng của giao thức ZRP 58 3.4.3 Sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức SD-ZRP 59 3.4.4 So sánh kết quả mô phỏng giữa giao thức ZRP và SD-ZRP 60

3.5 Kết luận chương 3 62

KẾT LUẬN 64

2 Hướng phát triển: 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 PHỤ LỤC

AODV Ad-hoc On Demand Distance Vector

BRP Bordercast Resolution Protocol

DSDV Destination Sequenced Distance VectorDSR Dynamic Source Routing

HARP Hybrid Ad hoc Routing Protocol

IARP Intra-zone Routing Protocol

IERP Inter-zone Routing Protocol

MAC Medium Access Control

MANET Mobile Ad-hoc Network

NDP Neighbor Discovery Protocol

UUID Unique Universal Identifiers

WRP Wireless Routing Protocol

ZRP Zone Routing Protocol

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

2.1

Tổng hợp quá trình quảng bá biên Error:

Referenc

e source not found

3.1

Kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức ZRP

Error: Referenc

e source not found

3.2

Kết quả mô phỏng về sự tác động của vận tốc di chuyển của nút đến hiệu năng của giao thức ZRP

Error: Referenc

e source not found

3.3

Kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức SD-ZRP ReferencError:

e source not found

3.4

Kết quả mô phỏng của giao thức ZRP và SD-ZRP Error:

Referenc

e source not found

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang

1.1

Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc Error:

Referen ce source not found

2.1

Referen ce source not found

2.2

Referen ce source not found

2.3

Referen ce source not found

Referen ce source

Referen ce source not found

2.6

Cơ chế Phát hiện truy vấn (QD1/QD2) Error:

Referen ce source not found

2.7

Referen ce source not found

2.8

Referen ce source not found

2.9

Minh họa hoạt động của giao thức ZRP Error:

Referen ce source

Referen ce source not found

2.12

Referen ce source not found

3.1

Tổng quan về NS dưới góc độ người dùng Error:

Referen ce source not found

3.2

Mô hình mô phỏng mạng ZRP đang hoạt động Error:

Referen ce source not found 3.3 Biểu đồ kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút

mạng đến hiệu năng của giao thức ZRP

Error: Referen ce

Biểu đồ kết quả mô phỏng về sự tác động của vận tốc di chuyển của nút đến hiệu năng của giao thức ZRP

Error: Referen ce source not found

3.5

Biểu đồ kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức SD-ZRP

Error: Referen ce source not found

3.6

So sánh kết quả mô phỏng của giao thức ZRP và SD-ZRP Error:

Referen ce source not found

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, chúng ta đang sống trong thời đại bùng nổ thông tin, nhiều công nghệ mới ra đời và được ứng dụng vào trong cuộc sống, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông Các hệ thống truyền thông đã phủ rộng khắp trên thế giới làm cho con người ở khắp nơi có thể thông tin được với nhau mọi lúc mọi nơi

Ban đầu, các thiết bị truyền thông được kết nối với nhau thông qua hệ thống mạng có dây (wired) Hệ thống mạng có dây đã ra đời khá lâu và có nhiều tác động to lớn đến sự phát triển của xã hội Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, các hệ thống mạng có dây dần bộc lộ các hạn chế Bên cạnh đó, sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của các thiết bị di động cá nhân như laptop, smartphone, tablet,… làm nảy sinh nhu cầu kết nối các thiết bị này Hệ thống mạng có dây không thể đáp ứng được nhu cầu này

và không phát huy hết được những ưu điểm của các thiết bị di động Và sự ra đời của mạng không dây (wireless) đã đáp ứng được nhu cầu kết nối của các thiết bị di động

Các thiết bị di động ngày càng phát triển mạnh mẽ, và nhu cầu kết nối giữa các thiết bị này cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ và khả năng di chuyển trong khi kết nối mạng Mạng tùy biến di động – MANET (Mobile Ad-hoc Network) là một trong những công nghệ vượt trội đáp ứng được nhu cầu đó nhờ khả năng hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cố định, chi phí hoạt động thấp, triển khai nhanh và có tính di động cao Mạng MANET là một mạng bao gồm các thiết bị di động kết nối ngang hàng hình thành nên một mạng mà không cần sự trợ giúp của các thiết bị trung tâm hay

cơ sở hạ tầng cố định Mỗi nút trong mạng MANET vừa là thiết bị thu, vừa là thiết bị phát Đồng thời, mỗi nút đều có khả năng di chuyển về mọi hướng

theo các tốc độ khác nhau làm cho topo mạng thay đổi liên tục Vấn đề đáng quan tâm của mạng MANET là định tuyến Các giao thức định tuyến truyền thống không phù hợp với mạng MANET mà cần phải được thay thế bằng một

hệ thống các giao thức định tuyến mới Hệ thống các giao thức định tuyến trên mạng MANET được chia thành 3 nhóm chính: định tuyến chủ động (Proactive), định tuyến bị động (Reactive) và định tuyến lai ghép (Hybrid) Tuy nhiên, hiện nay mạng MANET vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi và vẫn đang được nghiên cứu nhằm cải tiến hơn nữa các giao thức định tuyến để đạt được hiệu quả hoạt động tốt hơn

Vì vậy, luận văn này tôi tiếp tục nghiên về vấn đề định tuyến trên mạng MANET Mỗi giao thức định tuyến trên mạng MANET có những đặc điểm riêng và phù hợp với một mô hình mạng nhất định Nội dung chính của luận văn sẽ tìm hiểu và nghiên cứu nâng cao phương pháp hiệu năng của giao thức trên mạng Manet Các giao thức định tuyến trong ZRP là sự kết hợp giữa giao thức định tuyến chủ động và giao thức định bị động Giao thức định tuyến ZRP được đề xuất để kết hợp các đặc tính ưu điểm của giao thức định tuyến chủ động và bị động

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu, tìm hiểu một số giao thức định tuyến lai ghép trên mạng MANET

So sánh, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến lai ghép tiêu biểu dựa trên phương pháp mô phỏng bằng NS2 Từ đó xác định môi trường áp dụng tốt cho các giao thức để đảm bảo truyền thông tin cậy và hiệu quả

3 Phương pháp nghiên cứu

Tìm kiếm, thu thập, tổng hợp tài liệu, nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở để đưa ra các đánh giá nhận xét

Sử dụng công cụ mô phỏng NS2 để xây dựng mô hình mạng MANET,

mô phỏng sự hoạt động của các giao thức định tuyến Từ kết quả thu được, tiến hành phân tích, đánh giá để đưa ra kết luận

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Giao thức định tuyến lai ghép là sự kết hợp của hai cơ chế định tuyến chủ động và bị động Vấn đề đặt ra là kết hợp như thế nào để đạt được hiệu quả cao, đáng tin cậy Các giao thức lai ghép được nghiên cứu đều dựa trên nguyên tắc chung là mạng được chia thành các vùng, cơ chế tuyến chủ động

sử dụng cho định tuyến trong vùng và cơ chế bị động được sử dụng cho giao tiếp giữa các vùng Tuy nhiên mỗi giao thức lại có cách thức thực hiện khác nhau dẫn đến những hiệu quả khác nhau Hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫn đang tiếp tục đi sâu nghiên cứu vấn đề định tuyến lai ghép để đề xuất thêm các thuật toán cải tiến của các giao thức này Do đó, việc nghiên cứu các giao thức định tuyến lai ghép trên mạng MANET là cần thiết và đó là cơ sở để đề xuất thêm các thuật toán mới hoặc cải thiện nâng cao hiệu năng của các thuật toán cũ

Mạng MANET ra đời đã lâu và việc ứng dụng trong thực tế của nhiều nước trên thế giới đã mang lại hiệu quả to lớn Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay, mạng MANET vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Do đó, việc nghiên cứu mạng MANET và các giao thức định tuyến trong mạng MANET có ý nghĩa quan trọng trong việc sớm đưa mạng MANET vào ứng dụng rộng rãi ở nước ta hiện nay

5 Cấu trúc của luận văn

Nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về mạng MANET Trong chương này chúng

tôi nghiên cứu các cơ sở lý thuyết của mạng MANET, các đặc điểm, phân loại, các giao thức định tuyến và các ứng dụng của mạng MANET

Chương 2 Tìm hiểu phương pháp nâng cao hiệu năng của giao thức ZRP với BL và SD trong mạng MANET Trong chương này chúng tôi

tìm hiểu, phân tích một số giao thức định tuyến lai ghép, và khám phá dịch vụ tại tầng định tuyến, từ đó so sánh, rút ra ưu điểm, khuyết điểm của các giao thức này và môi trường áp dụng tốt cho từng giao thức

Chương 3: Đánh giá hiệu năng của một số giao thức định tuyến trên mạng MANET Sau khi nghiên cứu kỹ các giao thức định tuyến ở

chương 2, chúng tôi sử dụng phương pháp mô phỏng bằng NS2 để đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến lai ghép

Cuối cùng là kết luận và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp tục trong tương lai Trong quá trình nghiên cứu, do còn nhiều hạn chế về khả năng và thời gian thực hiện nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô giáo, các nhận xét và góp ý của bạn bè, đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 1.1 Giới thiệu về mạng MANET

Mạng tùy biến di động MANET (Mobile Ad hoc Network)[13], [14] là mạng không có hạ tầng, MANET bao gồm các thiết bị di động kết nối ngang hàng hình thành nên một mạng mà không cần sự trợ giúp của các thiết bị trung tâm hay cơ sở hạ tầng cố định Mạng MANET với khả năng hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cố định, chi phí hoạt động thấp, triển khai nhanh và tính di động cao đã đáp ứng được nhu cầu kết nối của các thiết bị di động ngày càng mạnh mẽ hiện nay

1.1.1 Mạng MANET

Với những ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị di động, các mạng không dây được phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây Mạng không dây có thể được chia thành hai kiểu: mạng hạ tầng và mạng không có hạ tầng Trong kiểu mạng hạ tầng, việc truyền thông giữa các phần tử mạng phụ thuộc vào sự hỗ trợ của một hạ tầng mạng cố định Trong khi đó, mạng không có hạ tầng hoạt động không phụ thuộc vào hạ tầng cố định, các kết nối truyền thông được thiết lập qua các liên kết không dây đa bước

1.1.2 Lịch sử phát triển:

Nguyên lý làm việc của mạng Ad hoc bắt nguồn từ năm 1968 khi các mạng ALOHA được thực hiện Tuy các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức ALOHA đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, đây là cơ sở lý thuyết để phát triển kỹ thuật truy cập kênh phân tán vào mạng Ad hoc

Năm 1973 tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên mạng vô tuyến gói tin PRnet Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên Trong đó các nút

hợp tác với nhau để gửi dữ liệu tới một nút nằm ở xa khu vực kết nối thông qua một nút khác Nó cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung và phân tán Một lợi điểm của làm việc đa chặng so với đơn chặng

là triển khai đa chặng tạo thuận lợi cho việc dùng lại tài nguyên kênh truyền

về cả không gian, thời gian và giảm năng lượng phát cần thiết

Sau đó có nhiều mạng vô tuyến gói tin phát triển nhưng các hệ thống không dây này vẫn chưa bao giờ tới tay người dùng cho đến khi chuẩn 802.11

ra đời IEEE đã đổi tên mạng vô tuyến gói tin thành mạng Ad hoc

1.1.3 Đặc điểm của mạng MANET:

Một mạng MANET bao gồm các hạ tầng di động (ví dụ một router với nhiều host và thiết bị truyền thông vô tuyến), ở đây được gọi là các nút, đang

di chuyển tự do Các nút có thể được đặt trên máy bay, tầu thủy, xe kéo, ô tô hoặc được mang theo người hay các thiết bị nhỏ, và có thể bao gồm nhiều host trên một router Một mạng MANET là một hệ thống các nút di động tự trị Hệ thống có thể hoạt động độc lập hoặc có thể có cổng để giao tiếp với mạng cố định

Các nút mạng MANET bao gồm các bộ phát và bộ thu sử dụng ăng ten mọi hướng để phát quảng bá hoặc ăng ten định hướng để phát điểm-điểm, có thể điều chỉnh được, hoặc kết hợp các loại ăng ten này Tại một thời điểm nào

đó, tùy thuộc vào vị trí của các nút và vùng phủ sóng bộ thu và bộ phát của chúng, mức công suất phát và mức nhiễu đồng kênh, một kết nối vô tuyến dưới dạng ngẫu nhiên, kiến trức nhiều bước hay mạng MANET tồn tại giữa các nút Kiến trúc này có thể thay đổi theo thời gian khi các nút di chuyển hoặc điều chỉnh các thông số thu phát của chúng

Mạng MANET có một số đặc điểm nổi bật sau đây:

Kiên trúc mạng động: Kiến trúc mạng luôn biến đổi sự di chuyển của

các nút mạng Đây là đặc trưng quan trọng của mạng MANET Mỗi nút trong mạng có thể di chuyển tự do theo các hướng không thể biết trước, dẫn đến các

liên kết giữa các nút mạng thay đổi liên tục Vì vậy, kiến trúc mạng thay đổi liên tục làm ảnh hưởng đến hoạt động trao đổi thông tin giữa các nút mạng.

Khả năng tự thiết lập: Mạng MANET không phụ thuộc vào bất kỳ

một kiến trúc mạng sẵn có nào cũng như sự quản lý tập trung tại bất kỳ một nút mạng nào Các nút có vai trò ngang nhau và hoạt động độc lập nhau Các nút phải tự thiết lập các thông tin cần thiết cho chính mình (địa chỉ mạng, thông tin định tuyến, …) khi gia nhập vào mạng cũng như tự điều chỉnh thông tin khi mạng thay đổi Do đó, các giao thức định tuyến trong mạng MANET phải có cơ chế tự thiết lập, cập nhật và quản lý các thông tin cần thiết cho các nút mạng

Khoảng cách sóng ngắn: Nhìn chung, các nút trong mạng MANET sử

dụng tần số radio để trao đổi dữ liệu với nhau Tuy nhiên khoảng cách sóng radio của các thiết bị di động là rất hạn chế

Năng lượng hạn chế: Tất cả các thiết bị di động đều sử dụng pin nên

khi tham gia vào mạng MANET chúng bị hạn chế về năng lượng, khả năng

xử lý của CPU, kích thước bộ nhớ Vì vậy tiêu chí thiết kế quan trọng nhất đối với việc tối ưu là tiết kiệm năng lượng

Băng thông hạn chế: Các liên kết không dây có băng thông thấp hơn

so với đường truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hưởng của sự nhiễu, suy giảm tín hiệu, các điều kiện giao thoa vì thế mà thường nhỏ hơn tốc độ truyền lớn nhất của sóng vô tuyến

Bảo mật vật lý hạn chế: Các mạng di động vô tuyến thường thiên về

bảo mật lớp vật lý hơn so với các mạng hữu tuyến Khả năng bị nghe trộm, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ cần được xem xét cẩn thận Các kĩ thuật bảo mật liên kết hiện có thường được áp dụng cho các mạng vô tuyến để giảm các nguy cơ về bảo mật Bản chất không tập trung của điều khiển mạng trong mạng MANET cũng tạo ra những ưu điểm đối với nhược điểm “single point

of failure” của các mạng quản lý tập trung

1.2 Phân loại mạng MANET

1.2.1 Phân loại theo giao thức:

- Single-hop:

Mạng MANET định tuyến single-hop là mô hình mạng ad hoc đơn giản nhất Trong đó, tất cả các nút đều nằm trong cùng 1 vùng phủ sóng, nghĩa là các nút có thể kết nối trực tiếp với nhau mà không cần các nút trung gian

Trong mô hình này, các nút có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vi nhất định đủ để các nút liên kết trực tiếp với các nút khác trong mạng

- Multi-hop:

Đây là mô hình phổ biết nhất trong mạng MANET Trong mô hình này, các nút có thể kết nối với các nút khác trong mạng mà không cần kết nối trực tiếp với nhau Các nút có thể định tuyến đến các nút khác thông qua các nút trung gian trong mạng Để mô hình này hoạt động một cách hoàn hảo thì cần phải có giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET

- Mobile multi-hop:

Mô hình này là sự mở rộng của mô hình thứ hai với một chút khác biệt:

mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian thực như: audio, video

1.2.2 Phân loại theo chức năng của nút:

- Mạng MANET đẳng cấp (Flat):

Trong kiến trúc này tất cả các nút có vai trò ngang hàng với nhau to-peer) và các nút đóng vai trò như các router định tuyến gói dữ liệu trên mạng Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những gói tin điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng Tuy nhiên nó thích hợp trong những kiến trúc có các nút di chuyển nhiều

(peer Mạng MANET phân cấp (Hierarchical):

Trong mô hình này thì mạng chia thành các miền khác nhau, trong mỗi miền bao gồm một hoặc nhiều cụm mỗi cụm chia thành nhiều nút Có hai loại nút là nút trưởng cụm và nút thành viên

Nút trưởng cụm là nút quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các nút trong cụm đến các nút trong cụm khác và ngược lại Nút thành viên là các nút nằm trong cùng một cụm Nó có thể kết nối với các nút trong cụm hoặc kết nối với các cụm khác thông qua nút trưởng cụm.

Với các cơ chế trên, mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn

vì các tin nhắn chỉ phải truyền trong 1 cụm Tuy nhiên việc quản lý tính chuyển động của các nút trở nên phức tạp hơn Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp

- Mạng MANET kết hợp (Aggregate):

Mạng được chia thành nhiều vùng, mỗi vùng bao gồm nhiều nút Kiến trúc mạng được chia thành 2 cấp: Kiến trúc cấp thấp (cấp nút) và kiến trúc cấp cao (cấp vùng) Mỗi nút được đặc trừng bởi ID nút và ID vùng Trong một vùng có thể áp dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp

1.3 Các thuật toán định tuyến:

Trong mạng MANET, các nút mạng di chuyển tự do nên kiến trúc mạng thay đổi liên tục gây khó khăn trong việc truyền tải các gói tin Do đó, vấn đề đáng quan tâm của mạng MANET là định tuyến Để định tuyến trên mạng MANET, người ta thường dùng 2 thuật toán [13], [15]: thuật toán vector khoảng cách (Distance Vector) và thuật toán trạng thái liên kết (Link state)

1.3.1 Thuật toán vector khoảng cách (Distance Vector):

Thuật toán Bellman-Ford tính toán đường đi ngắn nhất từ nguồn tới đích được mô tả như sau:

Input: Đồ thị (G,w,s);

Bellman-Ford-More(G,w,s):

- Bước 1: Khởi tạo nút nguồn s;

- Bước 2: for i = 1 to V[G] do

For mỗi cạnh (u,v) ∈ E[G] do

If d(v) > d(u) + w then { d(u), d(v) là chi phí được tính từ nút gốc đến các đỉnh u,v}

d(v):= d(u) + w;

- Bước 3: for mỗi cạnh (u,v) ∈ E[G] do

If d[u] + w(u,v) < d[v] then

Thuật toán này dùng thuật toán Bellman – Ford, trong đó chỉ định một con số, gọi là chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các nút trong mạng Các nút sẽ gửi thông tin về đường đi từ nút A đến nút B qua các kết nối mang lại tổng chi phí thấp nhất

Hoạt động của thuật toán như sau: Khi một nút khởi động lần đầu, nó chỉ biết các nút kề trực tiếp với nó, gọi là nút láng giềng, và thông tin để đi đến đó (thông tin này bao gồm danh sách của các nút đích, tổng chi phí đến từng đích và nút kế tiếp để gửi dữ liệu đến đó tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách) Mỗi nút, trong một tiến trình gửi đến từng láng giềng tổng chi phí của nó

để đi đến các nút đích mà nó biết Các nút láng giềng phân tích thông tin này, và

so sánh với những thông tin mà chúng đang biết; bất kỳ điều gì cải thiện được những thông tin chúng đang có, sẽ được đưa vào các bảng định tuyến của những láng giềng này Đến khi kết thúc, tất cả nút trên mạng sẽ tìm ra bước truyền kế tiếp tối ưu đến tất cả mọi đích, và tổng chi phí tốt nhất

Khi trong một mạng có nút gặp vấn đề, thì sẽ hủy các lộ trình đi qua nút này và tạo nên thông tin mới trong bảng định tuyến Sau đó chúng chuyển thông tin này đến tất cả nút gần kề và lặp lại quá trình trên Cuối cùng, tất cả nút trên mạng nhận được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ tìm đường đi mới đến tất cả các đích mà chúng còn tới được

Ưu điểm của thuật toán này là dễ cấu hình do quá trình xử lý đơn giản nên ít tốn bộ nhớ Tuy nhiên, thuật toán này có nhược điểm là hệ thống cung cấp các thông số còn quá đơn giản nên có thể xẩy ra việc con đường tìm ra

chưa phải là tốt nhất Do phải cập nhật định kỳ các bảng định tuyến, nên một lượng băng thông đáng kể sẽ bị chiếm dụng Ngoài ra, do các Router hội tụ chậm, sẽ dẫn đến việc sai lệch trong bảng định tuyến gây ra hiện tượng lặp.

1.3.2 Thuật toán trạng thái liên kết (Link State):

Thuật toán trạng thái liên kết được dùng để xây dựng và tính toán đường đi ngắn nhất từ nút nguồn đến tất cả các nút đích trong mạng Thuật toán Dijkstra được áp dụng trong giao thức định tuyến trạng thái liên kết được thực hiện qua các bước sau:

Input: Đồ thị (G,w,s);

Dijkstra(G,w,s):

- Bước 1: Khởi tạo nút nguồn s;

- Bước 2: S: = {}; {Cuối cùng S sẽ chứa các đỉnh có trọng số đường đi ngắn nhất từ s}

- Bước 3: Khởi tạo hàng đợi ưu tiên Q:= V[G] {Q chứa các đỉnh trong

đồ thị G}

- Bước 4: While Q<>{} do

u:=EXTRACT_MIN(Q) {Chọn ra đỉnh v trong Q lân cận đỉnh u có trọng số cạnh (u,v) nhỏ nhất gán cho u}

- Bước 5: S:=U ∪{u}; Q:=Q\{u}

- Bước 6: for mỗi đỉnh v ∈ Adj[u] do {v các đỉnh liền kề với u}

If d(v) > d(u) + w then {d(u), d(v) là chi phí được tính từ nút gốc đến các đỉnh u, v}

d(v):=d(u) + w; {Quay lại bước 4};

Output: Cây đường đi ngắn nhất từ đỉnh s đến các nút trong mạng

Khi áp dụng các thuật toán trạng thái kết nối, mỗi nút sử dụng dữ liệu

cơ sở của nó như là một bản đồ của mạng với dạng một đồ thị Để làm điều này, mỗi nút phát đi tới toàn mạng những thông tin về các nút khác mà nó có thể kết nối được, và từng nút góp thông tin một cách độc lập vào bản đồ Sử dụng bản đồ này, mỗi nút sau đó sẽ xác định được tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi nút khác

Thuật toán này xây dựng cấu trúc dữ liệu dưới dạng cây, trong đó nút hiện tại là gốc, và chứa mọi nút khác trong mạng Bắt đầu với một cây ban

đầu chỉ chứa chính nó Sau đó lần lượt từ tập các nút chưa được thêm vào cây,

nó sẽ thêm nút có chi phí thấp nhất để đến một nút đã có trên cây Tiếp tục quá trình đến khi mọi nút đều được thêm vào cây

Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bước truyền kế tiếp tối ưu, để từ một nút đến bất kỳ nút khác trên mạng

Thuật toán này có ưu điểm là có thể thích nghi được với đa số hệ thống, cho phép người thiết kế có thể thiết kế mạng linh hoạt, phản ứng nhanh với tình huống xảy ra Do không gởi cập nhật định kỳ như vector khoảng cách, nên thuật toán trạng thái liên kết bảo đảm được băng thông cho các đường mạng

Nhược điểm của thuật toán trạng thái liên kết là quá trình xử lý phức tạp, nên chiếm nhiều bộ nhớ Đồng thời, việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề trở ngại cần giải quyết như tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhập định kỳ như trong giao thức định tuyến vector khoảng cách, tiêu tốn băng thông mạng cho các cập nhập định kỳ, làm quá tải bộ vi xử lý của thiết bị khi các thông tin cập nhật, số nút mạng tăng lên, tạo ra nhiều đường đi dư thừa

1.3.3 So sánh các thuật toán định tuyến:

Các giao thức định tuyến theo thuật toán vector khoảng cách đơn giản

và hiệu quả hơn trong các mạng nhỏ, đòi hỏi ít sự giám sát Tuy nhiên nhược điểm của nó là khả năng hội tụ chậm khi mạng lớn và thay đổi, điều này dẫn đến sự phát triển của các thuật toán trạng thái kết nối tuy phức tạp hơn nhưng tốt hơn để dùng trong các mạng lớn

Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứng nhanh nhạy hơn, và trong một khoảng thời gian có hạn, đối với sự thay đổi kết nối Ngoài ra, những gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối thì nhỏ hơn những gói dùng trong định tuyến bằng vector Định tuyến bằng vector đòi hỏi bảng định tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến bằng trạng thái kết nối thì chỉ có thông tin về láng giềng của

nút được truyền đi Vì vậy, các gói này dùng tài nguyên mạng ở mức không đáng kể Khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là nó đòi hỏi nhiều sự lưu trữ và tính toán để chạy hơn định tuyến bằng vector.

1.4 Các giao thức định tuyến trên mạng MANET:

Mạng MANET là mạng không dây đặc biệt gồm tập hợp các thiết bị di động, giao tiếp không dây, có khả năng truyền thông trực tiếp với nhau hoặc thông qua các nút trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp Các nút mạng vừa đóng vai trò như thiết bị truyền thông vừa đóng vai trò như thiết bị định tuyến Với nguyên tắc hoạt động như vậy, nó không bị phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định nên có tính linh động cao, đơn giản trong việc lắp đặt, chi phí triển khai và bảo trì thấp

Một trong những phương pháp phân loại giao thức định tuyến trên mạng MANET phổ biến nhất là dựa vào cách các nút mạng thiết lập và duy trì thông tin định tuyến Sử dụng phương pháp này, các giao thức định tuyến trên mạng MANET được chia thành 3 loại: Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table – driven Routing Protocols), Giao thức định tuyến theo yêu cầu (On – Demand Routing Protocol) và Giao thức định tuyến lai ghép (Hybrid Routing Protocol)

Hình 1.1 Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc

1.4.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table – driven Routing Protocols)

Giao thức định tuyến theo bảng ghi còn được gọi là giao thức định tuyến chủ động (Proactive Routing Protocol) Trong giao thức định tuyến chủ động, các nút trong mạng liên tục đánh giá các tuyến đường đến tất cả các nút còn lại và cố gắng duy trì 1 bảng định tuyến cập nhật Vì vậy, nút nguồn ngay lập tức có thể có được 1 tuyến đường đến nút đích nếu cần

Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến chủ động, tất cả các nút cần duy trì một cái nhìn nhất quán về kiến trúc mạng Khi kiến trúc mạng có sự thay đổi thì những cập nhật tương ứng phải được lan truyền trên toàn mạng để thông báo về sự thay đổi Sử dụng thuật toán định tuyến chủ động, các nút mạng chủ động cập nhật trạng thái mạng và duy trì các tuyến đường ngay cả khi tuyến đường đó không được sử dụng dẫn đến sự lãng phí tài nguyên, ảnh

hưởng đến băng thông của mạng Do đó, giao thức định tuyến chủ động chỉ thích hợp cho các mô hình mạng MANET có các nút ít di chuyển.

Các giao thức hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến chủ động tiêu biểu: Giao thức DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing), Giao thức WRP (Wireless Routing Protocol) …

1.4.2 Giao thức định tuyến theo yêu cầu (On – Demand Routing Protocol)

Các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu còn được gọi là giao thức định tuyến bị động (Reactive Routing Protocols) Khác với các giao thức định tuyến chủ động, theo giao thức định tuyến bị động, các con đường đi sẽ được tạo ra khi có nhu cầu Nghĩa là, khi một nút nguồn muốn gửi dữ liệu đến nút đích, trước hết nó phải khởi đầu một quá trình khám phá tuyến để tìm đường đi đến đích (Route Discovery) 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 thông số định tuyến (route maintenance) 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 nó nữa

Với cơ chế này, các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu không phát quảng bá đến các nút láng giềng về các thay đổi của bảng định tuyến theo thời gian, nên tiết kiệm được tài nguyên mạng Vì vậy, loại giao thức này có thể

sử dụng trong các mạng MANET phức tạp, các nút di chuyển nhiều

Một số giao thức định tuyến bị động tiêu biểu như: Giao thức AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), Giao thức DSR (Dynamic Source Routing), Giao thức TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)…

1.4.3 Giao thức định tuyến lai ghép (HybridRouting Protocols)

Giao thức định tuyến chủ động và bị động đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Đối với giao thức định tuyến chủ động, các nút duy trì một bảng định tuyến chứa đường đi đến tất cả các nút trong mạng và bảng định

tuyến này sẽ được cập nhật khi kiến trúc có bất kỳ sự thay đổi nào Vì vậy, ưu điểm của giao thức định tuyến chủ động là nút nguồn ngay lập tức có tuyến đường để gửi dữ liệu đến nút đích Tuy nhiên, việc lưu trữ đường đi đến tất cả các nút trên mạng ngay cả khi có những tuyến đường không sử dụng sẽ tiêu tốn một dung lượng bộ nhớ đáng kể nhất là trong trường hợp mạng có số lượng nút lớn Bên cạnh đó, các giao thức chủ động cũng không thích hợp đối với mô hình mạng có các nút thường xuyên di chuyển Trong mạng MANET, các nút mạng tự do di chuyển nên kiến trúc mạng thường xuyên thay đổi Điều này dẫn đến việc phải thường xuyên cập nhật bảng định tuyến Việc gửi các gói tin cập nhật bảng định tuyến đến toàn màng sẽ làm giảm băng thông

và tăng độ trễ

Trong khi đó, các giao thức định tuyến bị động không lưu trữ đường đi đến tất các nút trong mạng Khi một nút có nhu cầu gửi dữ liệu, nó sẽ gửi quảng bá gói tin yêu cầu tuyến đường đến toàn mạng Khi nút đích nhận được gói tin yêu cầu từ nút nguồn, nó sẽ tạo gói tin trả lời đường đi và gửi ngược trở về nút nguồn Khi đó nút nguồn sẽ gửi dữ liệu đi theo tuyến đường đã tìm được Tuyến đường này sẽ được duy trì đến khi các liên kết trên đường đi có

sự thay đổi hoặc nút nguồn không sử dụng tuyến đường này nữa Do đó, các giao thức định tuyến thích hợp với mô hình mạng có nhiều nút, các nút thường xuyên di chuyển Các giao thức định tuyến bị động khắc phục được nhược điểm của các giao thức chủ động, tiết kiệm được bộ nhớ do không phải lưu đường đi đến tất cả các nút trong mạng, đồng thời không phải tiêu tốn nhiều băng thông cho việc duy trì bảng định tuyến Tuy nhiên, khi sử dụng giao thức định tuyến bị động, độ trễ sẽ lớn, dữ liệu sẽ phải chờ cho đến khi tuyến đường đến đích được tìm thấy mới có thể gửi đi

Giao thức định tuyến lai ghép được đề xuất để kết hợp những ưu điểm

và hạn chế nhược điểm của cả hai giao thức định tuyến chủ động và bị động

Để làm được điều đó, mạng sẽ được chia thành nhiều vùng, việc truyền dữ

liệu giữa 2 nút trong cùng một vùng sẽ được thực hiện theo giao thức định tuyến chủ động Ngược lại, khi nút nguồn và nút đích thuộc 2 vùng khác nhau, giao thức định tuyến bị động sẽ được sử dụng để truyền dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích.

Việc sử dụng các giao thức định tuyến chủ động trong vùng và giao thức định tuyến bị động giữa các vùng sẽ phát huy được ưu điểm xác định đường đi nhanh của giao thức định tuyến chủ động Ngoài ra, do chỉ áp dụng trong một vùng nên các nút không phải tốn nhiều bộ nhớ để lưu đường đi đến tất cả các nút trong mạng mà nó chỉ lưu đường đi đến các nút trong vùng mà thôi, và cũng tránh được việc phải tốn nhiều băng thông cho việc duy trì bảng định tuyến chủ động Đồng thời, điều này cũng phát huy được tính linh hoạt của giao thức định tuyến bị động khi chỉ thiết lập các tuyến đường giữa các vùng khi cần thiết

Một số giao thức định tuyến lai ghép tiêu biểu: Giao thức ZRP (Zone Routing Protocol), Giao thức ZHLS (Zone – base Hierarchical Link State), Giao thức HARP (Hybrid Ad hoc Routing Protocol)

1.5 Ứng dụng của mạng MANET

Công nghệ mạng MANET tương tự như mạng vô tuyến gói di động (Mobile Packet Radio Networking), mạng lưới di động (Mobile Mesh Networking) và kết nối mạng vô tuyến, nhiều chặng, di động (Mobile, Multihop, Wireless Networking) Vấn đề nổi trội của kết nối mạng di động với sự nhấn mạnh về hoạt động của giao thức IP di động sẽ được mở rộng dần

và yêu cầu công nghệ kết nối di động có khả năng tương thích cao để có thể quản lý hiệu quả các nhóm mạng ad hoc nhiều chặng, trong đó các nhóm mạng có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể kết nối với một số điểm Internet cố định

Các ứng dụng của công nghệ MANET có thể bao gồm các ứng dụng công nghiệp và thương mại liên quan đến trao đổi dữ liệu di động có tính chất

cộng tác lẫn các máy Ngoài ra, các mạng di động cấu hình lưới có thể được vận hành một cách hiệu quả dưới dạng mạng thay thế hoặc mạng mở rộng của mạng di động tổ ong Việc kết nối mạng trong quân đội cũng yêu cầu các dịch

vụ dữ liệu IP trong các mạng truyền thông di động vô tuyến, nhiều mạng trong số này bao gồm các phần với cấu hình mạng tự trị với tính động cao Bên cạnh đó, sự phát triển của các công nghệ tính toán và truyền thông có thể cung cấp các ứng dụng cho các mạng MANET Khi được kết hợp một cách hợp lý với truyền thông vệ tinh, mạng MANET có thể cung cấp các phương thức cực kỳ linh hoạt trong việc thiết lập truyền thông cho hoạt động cứu hỏa, cứu thương, khắc phục sự cố tai nạn hoặc các trường hợp cần triển khai mạng thật nhanh chóng để phục vụ tức thì

Các ứng dụng cụ thể:

Quân sự: Hoạt động phi tập trung của mạng Ad hoc và không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng là một yếu tố thiết yếu đối với lĩnh vực quân

sự, nhất là trong các trường hợp chiến đấu khốc liệt, các cơ sở hạ tầng mạng

bị phá hủy Lúc này mạng Ad hoc là lựa chọn số một để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng

Trường học: Chúng ta cũng có thể thiết lập các mạng Ad hoc trong trường học, lớp học, thư viện, sân trường, để kết nối các thiết bị di động (laptop, smartphone) lại với nhau, giúp sinh viên, thầy cô giáo có thể trao đổi bài một cách nhanh chóng thông qua mạng ad hoc vừa tạo

Gia đình: Tại nhà bạn có thể tạo nhanh mạng Ad hoc để kết nối các thiết bị di động của bạn với nhau, nhờ đó ta có thể di chuyển tự do mà vẫn đảm bảo kết nối truyền tải dữ liệu

Kết nối các thiết bị điện tử với nhau: Trong những năm tới khi mà các thiết bị điện tử đều được gắn các giao tiếp không dây, giúp chúng có thể trao đổi giao tiếp với nhau thì mạng Ad hoc sẽ rất phù hợp để tạo nên một hệ thống thông mình có khả năng liên kết với nhau

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 trình bày cái nhìn tổng quan về mạng MANET, các đặc điểm, các cách phân loại và những ứng dụng của mạng MANET trong cuộc sống Bên cạnh đó, chương 1 đã trình bày một cách tổng quát các giao thức định tuyến trên mạng MANET cũng như phân tích những ưu điểm nhược điểm của các giao thức

CHƯƠNG 2 TÌM HIỀU PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA GIAO

THỨC ZRP VỚI BL VÀ SD TRONG MẠNG MANET

Giao thức định tuyến chủ động (Proactive) và bị động (Proactive) đều

có những ưu điểm và nhược điểm riêng Các giao thức định tuyến chủ động

có ưu điểm là tuyến đường yêu cầu được đáp ứng ngay lập tức Tuy nhiên nhược điểm của nó là tốn bộ nhớ, lãng phí băng thông và yêu cầu hiệu suất xử

lý CPU cao Trong khi đó, các giao thức định tuyến bị động tiết kiệm được bộ nhớ và băng thông Tuy nhiên, thời gian trễ của nó lại rất lớn do mỗi khi có yêu cầu đường đi, nó phải khởi động tiến trình khám phá tuyến đường

Giao thức định tuyến lai ghép (Hybrid) là sự kết hợp của hai cơ chế định tuyến chủ động và bị động Bằng cách chia mạng thành các vùng (zone), giao thức định tuyến lai ghép phát huy những ưu điểm và hạn chế những nhược điểm của hai cơ chế định tuyến chủ động và bị động Với giao thức định tuyến lai ghép, sự lãng phí bộ nhớ và băng thông trong cơ chế định tuyến chủ động của mỗi nút được hạn chế bằng cách giảm phạm vi duy trì các tuyến đường chủ động trong mỗi vùng Đồng thời, việc khám phá đường đi chỉ được thực hiện khi nút nguồn và nút đích không nằm cùng vùng để làm giảm thời gian trễ của việc tìm đường đi bị động

2.1 Giao thức định tuyến lai ZRP (Zone Routing Protocol)

Như đã giới thiệu, định tuyến chủ động sử dụng lượng lớn băng thông

để duy trì thông tin định tuyến, trong khi định tuyến bị động đòi hỏi tốn nhiều thời gian để định tuyến Giao thức định tuyến ZRP [8] (Zone Routing Protocol) là một giao thức định tuyến lai ghép được đề xuất để giải quyết vấn

đề trên bằng cách kết hợp những ưu điểm của cả hai cơ chế định tuyến chủ động và bị động [7], [8]

ZRP làm giảm phạm vi của giao thức định tuyến chủ động đến gần trung tâm vùng của mỗi nút Trong một vùng giới hạn như vậy, việc duy trì thông tin định tuyến trở nên dễ dàng hơn Hơn nữa, số lượng thông tin định tuyến không bao giờ sử dụng được cực tiểu hóa Bên cạnh đó, đường đi đến những nút ở xa cũng có thể có được với giao thức định tuyến bị động Vì mọi nút chủ động lưu trữ thông tin định tuyến trong vùng, nên yêu cầu định tuyến có thể được thực hiện hiệu quả hơn mà không cần truy vấn tất cả các nút mạng.

Mặc dù sử dụng các vùng, nhưng ZRP có thể được xem như là một giao thức phẳng vì ZRP chia mạng thành các vùng chồng chéo Điều này giúp cho ZRP tránh được các chi phí tổ chức và duy trì một bản đồ phân cấp của mạng Hơn nữa, các hoạt động của ZRP là thích nghi, phụ thuộc vào kiến trúc hiện thời của mạng và hành vi của người dùng

2.1.1 Phân vùng trong ZRP

Giao thức định tuyến ZRP được xây dựng dựa trên khái niệm vùng Mỗi nút được định nghĩa một vùng định tuyến và các nút láng giềng có các vùng tương ứng chồng lên nhau Mỗi vùng định tuyến được xác định bởi một

bán kính r được tính bằng số hops Vùng định tuyến của một nút sẽ bao gồm các nút có khoảng cách đến nút trung tâm bé hơn hoặc bằng r hops.

Hình 2.1 Ví dụ vùng định tuyến với r = 2

Hình 2.1 thể hiện ví dụ về vùng định tuyến với bán kính r=2 Trong đó,

vùng định tuyến của nút S bao gồm các nút từ A đến I vì các nút này có khoảng cách đến nút trung tâm S không vượt quá 2 hops Trong khi đó,

khoảng cách từ nút K, và L đến nút S là 3 hop, lớn hơn r nên K và L không

nằm trong vùng định tuyến của S

Các nút trong vùng được chia thành 2 loại: nút biên và nút trong Nút biên là các nút có khoảng cách nhỏ nhất đến nút trung tâm bằng bán kính

vùng r Các nút có khoảng cách nhỏ nhất đến vùng trung tâm bé hơn r là các

nút trong Trong hình 2.1, các nút A, B, D, E, F là các nút trong, các nút C, G,

H, I, J là các nút biên Trong ví dụ này, mặc dù từ nút S đến nút H có thể đến được bằng 2 con đường, một đường có độ dài là 2 hops và một đường có độ dài là 3 hops Nhưng nút H vẫn thuộc về vùng vì đường đi ngắn nhất từ S đến

ESB

IF

L

KD

Thông tin định tuyến nội vùng còn được sử dụng để giảm lưu lượng các gói tin khám phá tuyến đường liên vùng được yêu cầu Thay vì phải quảng bá các gói tin khám phá tuyến đường đến toàn mạng, ZRP sử dụng quảng bá

biên (Bordercasting) Điều đó có nghĩa là nếu một nút muốn gửi một gói tin

đến một nút đích ở ngoài vùng định tuyến của nó, nút không có sẵn tuyến đường cho gói tin đến đích, nó chuyển tiếp gói tin đến các nút biên Các nút biên này có lưu trữ thông tin của các vùng láng giềng, vì vậy nó có thể đưa ra quyết định địa điểm chuyển tiếp gói tin đến Quảng bá biên sử dụng các thông tin định tuyến do IARP cung cấp để trực tiếp truy vấn đến biên của vùng Dịch vụ phát gói tin quảng bá biên được cung cấp bởi giao thức giải pháp quảng bá biên (BRP – Bordercast Resolution Protocol) BRP [6] sử dụng thông tin định tuyến của vùng để xây dựng cây quảng bá biên cho các gói tin truy vấn tuyến đường Việc sử dụng quảng bá biên thay cho quảng bá sẽ làm cho việc truy vấn tuyến đường hiệu quả hơn

Như các giao thức định tuyến khác, đầu tiên một nút cần phải biết về các láng giềng của nó trước khi nó có thể xây dựng vùng định tuyến và xác định các nút biên Để nhận biết được các láng giềng trực tiếp, một nút có thể

trực tiếp sử dụng một giao thức phát hiện láng giềng (NDP – Neighbor Discovery Protocol) do lớp MAC cung cấp.

Một giao thức NDP tiêu biểu thường dựa vào việc truyền các gói tin

“Hello” của các nút NDP định kỳ phát gói tin “Hello”, nếu một nút nhận được một gói tin như vậy, nó có thể đánh dấu là nó có kết nối điểm – điểm trực tiếp đến láng giềng này Những láng giềng không nhận được gói tin

“Hello” trong một khoảng thời gian xác định sẽ bị xóa ra khỏi danh sách NDP tự do lựa chọn các nút theo nhiều tiêu chí khác nhau, chẳng hạn như cường độ tín hiệu hoặc tầng số/độ trễ của gói tin, v.v… Một khi các thông tin định tuyến địa phương được thu thập, nút định kỳ quảng bá các gói tin khám phá để danh sách các láng giềng của nó luôn được cập nhật Nếu lớp MAC của các nút không hỗ trợ NDP, thì chức năng này phải do IARP cung cấp

Giao thức ZRP bao gồm nhiều thành phần, mỗi thành phần hoạt động độc lập và có thể sử dụng các kỹ thuật khác nhau để đem lại hiệu quả cao nhất Chẳng hạn như giao thức định tuyến bị động AODV có thể được sử dụng như là IERP, trong khi đó IARP phổ biến nhất là một giao thức chủ động như OLSR

Sự liên hệ giữa các thành phần được minh họa ở hình 2.2 Việc cập nhật các tuyến đường được NDP kích hoạt bằng các thông báo cho IARP khi danh sách láng giềng có sự thay đổi IERP sử dụng bảng định tuyến của IARP

để trả lời các truy vấn tuyến đường liên vùng Các truy vấn tuyến đường được IERP chuyển tiếp với BRP BRP cũng sử dụng bảng định tuyến của IARP để hướng dẫn các gói tin truy vấn tuyến đường đi từ nút nguồn truy vấn

2.1.3 Cơ chế định tuyến

Một nút khi có gói tin muốn gửi, trước hết nó kiểm tra xem nút đích có nằm trong vùng định tuyến của nó hay không bằng cách sử dụng thông tin do IARP cung cấp Nếu nút đích nằm trong vùng định tuyến của nút nguồn thì gói tin được định tuyến chủ động theo thông tin định tuyến của IARP Ngược lại, nếu nút đích không nằm trong vùng định tuyến của nút nguồn thì định tuyến bị động sẽ được sử dụng

Tiến trình định tuyến bị động được chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn yêu cầu tuyến đường và giai đoạn trả lời tuyến đường Trong giai đoạn yêu cầu tuyến đường, nút nguồn gửi 1 gói tin yêu cầu tuyến đường đến các nút biên của nó bằng cách sử dụng BRP Nếu nút tiếp nhận gói tin yêu cầu biết nút đích thì nó trả lời bằng cách gửi tuyến đường ngược trở lại cho nút nguồn Ngược lại, nó tiếp tục tiến trình truy vấn bằng cách quảng bá biên gói tin Theo cách này, yêu cầu tuyến đường được truyền khắp mạng Nếu một nút nhận được nhiều bản sao của cùng một yêu cầu tuyến đường, thì các bản sao này được xem là dư thừa và bị loại bỏ

Câu trả lời cho yêu cầu tuyến đường được gửi bởi bất kỳ nút nào có thể cung cấp một tuyến đường đến nút đích Để có thể gửi câu trả lời trở về nút nguồn, thông tin định tuyến phải được tích lũy khi gói tin yêu cầu được gửi qua mạng Thông tin định tuyến được ghi lại cả trong gói tin yêu cầu và địa chỉ hops tiếp theo trong các nút dọc theo đường đi Như vậy, nút nguồn có thể

nhận tuyến đường đầy đủ đến nút đích và các nút dọc theo đường đi đến nút đích ghi địa chỉ của nút tiếp theo trong bảng định tuyến của mỗi nút.

Hình 2.3 Cơ chế định tuyến ZRPTrong ZRP, bán kính vùng là một đặc trưng quan trọng cho quá trình hoạt động của ZRP Nếu bán kính vùng là 1, thì quá trình định tuyến hoàn toàn là bị động và quảng bá biên gói tin yêu cầu tuyến đường trở thành quảng

bá đến toàn mạng Nếu bán kính vùng là vô cùng thì định tuyến là chủ động Việc lựa chọn bán kính là sự cân bằng giữa hiệu suất của định tuyến chủ động

và lưu lượng tăng dần cho việc duy trì của vùng