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

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌCPGS.TS VÕ THANH TÚ

Huế, 2013

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu củariêng 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 chưatừng 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 vàsâu sắc nhất đến thầy giáo hướng dẫn Phó giáo sư, Tiến sĩ VõThanh Tú, người đã tận tình dẫn dắt và tạo mọi điều kiện tốtnhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

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

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

Xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị lớp cao họcKhoa học máy tính khoá 2011 và các bạn đồng nghiệp đã luônbên cạnh, động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gianhọc 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 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 Các thuật toán định tuyến: 9

1.3.1 Thuật toán vector khoảng cách (Distance Vector): 10

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

1.3.3 So sánh các thuật toán định tuyến: 13

1.4 Các giao thức định tuyến trên mạng MANET: 14

1.4.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table – driven Routing Protocols) 15

1.4.3 Giao thức định tuyến lai ghép (HybridRouting Protocols) 16

1.5 Ứng dụng của mạng MANET 18

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 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

2.1.4.3 Cơ chế làm trễ xử lý truy vấn ngẫu nhiên RQPD (Random Query 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 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

3.3 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

1 Kết quả đạt được: 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

3.1 Kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức ZRP 56 3.2 Kết quả mô phỏng về sự tác động của vận tốc di chuyển

của nút đến hiệu năng của giao thức ZRP 583.3 Kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút mạng đến hiệu năng của giao thức SD-ZRP 60 3.4 Kết quả mô phỏng của giao thức ZRP và SD-ZRP 61

Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang

1.1 Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc 14

3.3 Biểu đồ kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút

3.4 Biểu đồ kết quả mô phỏng về sự tác động của vận tốc di chuyển

3.5 Biểu đồ kết quả mô phỏng về sự tác động của số lượng nút

3.6 So sánh kết quả mô phỏng của giao thức ZRP và SD-ZRP 62

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

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

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

Các thiết bị di động ngày càng phát triển mạnh mẽ, và nhu cầu kết nốigiữa các thiết bị này cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ và khả năng dichuyển trong khi kết nối mạng Mạng tùy biến di động – MANET (MobileAd-hoc Network) là một trong những công nghệ vượt trội đáp ứng được nhucầu 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 MạngMANET là một mạng bao gồm các thiết bị di động kết nối ngang hàng hìnhthành 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 làthiết 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 đángquan tâm của mạng MANET là định tuyến Các giao thức định tuyến truyềnthống 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 tuyếntrên 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 vẫnđang được nghiên cứu nhằm cải tiến hơn nữa các giao thức định tuyến để đạtđược hiệu quả hoạt động tốt hơn

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

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

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

So sánh, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến lai ghép tiêu biểudựa trên phương pháp mô phỏng bằng NS2 Từ đó xác định môi trường ápdụng 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 đểđưa 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 tuyếnchủ động và bị động Vấn đề đặt ra là kết hợp như thế nào để đạt được hiệuquả cao, đáng tin cậy Các giao thức lai ghép được nghiên cứu đều dựa trênnguyên 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 giaotiếp giữa các vùng Tuy nhiên mỗi giao thức lại có cách thức thực hiện khácnhau dẫn đến những hiệu quả khác nhau Hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫnđang tiếp tục đi sâu nghiên cứu vấn đề định tuyến lai ghép để đề xuất thêmcác thuật toán cải tiến của các giao thức này Do đó, việc nghiên cứu các giaothức định tuyến lai ghép trên mạng MANET là cần thiết và đó là cơ sở để đềxuất thêm các thuật toán mới hoặc cải thiện nâng cao hiệu năng của các thuậttoán cũ

Mạng MANET ra đời đã lâu và việc ứng dụng trong thực tế của nhiềunước trên thế giới đã mang lại hiệu quả to lớn Tuy nhiên, ở Việt Nam hiệnnay, mạng MANET vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi Do đó, việc nghiêncứu mạng MANET và các giao thức định tuyến trong mạng MANET có ýnghĩa quan trọng trong việc sớm đưa mạng MANET vào ứng dụng rộng rãi ởnước 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, phânloại, 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 vụtại tầng định tuyến, từ đó so sánh, rút ra ưu điểm, khuyết điểm của các giaothức 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 giáhiệu năng của giao thức định tuyến lai ghép

Cuối cùng là kết luận và đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp tụctrong tương lai Trong quá trình nghiên cứu, do còn nhiều hạn chế về khảnăng và thời gian thực hiện nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếusót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô giáo, các nhận xét vàgóp 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] làmạng không có hạ tầng, MANET bao gồm các thiết bị di động kết nối nganghàng hình thành nên một mạng mà không cần sự trợ giúp của các thiết bịtrung tâm hay cơ sở hạ tầng cố định Mạng MANET với khả năng hoạt độngkhông phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cố định, chi phí hoạt động thấp, triển khainhanh và tính di động cao đã đáp ứng được nhu cầu kết nối của các thiết bị diđộng ngày càng mạnh mẽ hiện nay

1.1.1 Mạng MANET

Với những ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây cùng với sựphát triển nhanh chóng của các thiết bị di động, các mạng không dây đượcphát triển rất mạnh trong thời gian gần đây Mạng không dây có thể được chiathành hai kiểu: mạng hạ tầng và mạng không có hạ tầng Trong kiểu mạng hạtầng, việc truyền thông giữa các phần tử mạng phụ thuộc vào sự hỗ trợ củamột hạ tầng mạng cố định Trong khi đó, mạng không có hạ tầng hoạt độngkhông phụ thuộc vào hạ tầng cố định, các kết nối truyền thông được thiết lậpqua 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 cácmạng ALOHA được thực hiện Tuy các trạm làm việc là cố định nhưng giaothức ALOHA đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phântán, đây là cơ sở lý thuyết để phát triển kỹ thuật truy cập kênh phân tán vàomạng Ad hoc

Năm 1973 tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên mạng vô tuyến góitin 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 thôngqua một nút khác Nó cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sởtập 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 thốngkhông 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 vớinhiều 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 tôhoặc được mang theo người hay các thiết bị nhỏ, và có thể bao gồm nhiềuhost trên một router Một mạng MANET là một hệ thống các nút di động tựtrị Hệ thống có thể hoạt động độc lập hoặc có thể có cổng để giao tiếp vớimạng cố định

Các nút mạng MANET bao gồm các bộ phát và bộ thu sử dụng ăng tenmọi hướng để phát quảng bá hoặc ăng ten định hướng để phát điểm-điểm, cóthể 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 củachúng, mức công suất phát và mức nhiễu đồng kênh, một kết nối vô tuyếndưới dạng ngẫu nhiên, kiến trức nhiều bước hay mạng MANET tồn tại giữacác nút Kiến trúc này có thể thay đổi theo thời gian khi các nút di chuyểnhoặc 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 cácliên kết giữa các nút mạng thay đổi liên tục Vì vậy, kiến trúc mạng thay đổiliên 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 mộtnút mạng nào Các nút có vai trò ngang nhau và hoạt động độc lập nhau Cácnút 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 thôngtin khi mạng thay đổi Do đó, các giao thức định tuyến trong mạng MANETphải có cơ chế tự thiết lập, cập nhật và quản lý các thông tin cần thiết cho cácnút 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 sóngradio 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 nhấtđối 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 giảmtín hiệu, các điều kiện giao thoa vì thế mà thường nhỏ hơn tốc độ truyền lớnnhất 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 thuậtbảo mật liên kết hiện có thường được áp dụng cho các mạng vô tuyến để giảmcác 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 giảnnhất Trong đó, tất cả các nút đều nằm trong cùng 1 vùng phủ sóng, nghĩa làcác 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 mộtphạm 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 trựctiếp với nhau Các nút có thể định tuyến đến các nút khác thông qua các núttrung gian trong mạng Để mô hình này hoạt động một cách hoàn hảo thì cầnphải 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 trênmạng Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hóa việc sử dụngtài nguyên băng thông của mạng vì những gói tin điều khiển phải truyền trên

(peer-toàn bộ mạng Tuy nhiên nó thích hợp trong những kiến trúc có các nút dichuyển nhiều.

- Mạng MANET phân cấp (Hierarchical):

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

Nút trưởng cụm là nút quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệucủa các nút trong cụm đến các nút trong cụm khác và ngược lại Nút thànhviên là các nút nằm trong cùng một cụm Nó có thể kết nối với các nút trongcụm 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 tínhchuyển động của các nút trở nên phức tạp hơn Kiến trúc mạng phân cấp thíchhợp 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 Kiếntrúc mạng được chia thành 2 cấp: Kiến trúc cấp thấp (cấp nút) và kiến trúccấp cao (cấp vùng) Mỗi nút được đặc trừng bởi ID nút và ID vùng Trongmột 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 mạngthay đổi liên tục gây khó khăn trong việc truyền tải các gói tin Do đó, vấn đềđáng quan tâm của mạng MANET là định tuyến Để định tuyến trên mạngMANET, người ta thường dùng 2 thuật toán [13], [15]: thuật toán vector khoảngcách (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 tớiđích 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 mộtcon số, gọi là chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các nút trongmạng Các nút sẽ gửi thông tin về đường đi từ nút A đến nút B qua các kết nốimang lại tổng chi phí thấp nhất

Hoạt động của thuật toán như sau: Khi một nút khởi động lần đầu, nó chỉbiết 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 khoảngcách) 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 đượcnhững thông tin chúng đang có, sẽ được đưa vào các bảng định tuyến của nhữngláng giềng này Đến khi kết thúc, tất cả nút trên mạng sẽ tìm ra bước truyền kếtiếp 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 quanút này và tạo nên thông tin mới trong bảng định tuyến Sau đó chúng chuyểnthông tin này đến tất cả nút gần kề và lặp lại quá trình trên Cuối cùng, tất cảnút trên mạng nhận được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ tìm đường đi mớiđến 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 giảnnên ít tốn bộ nhớ Tuy nhiên, thuật toán này có nhược điểm là hệ thống cungcấp các thông số còn quá đơn giản nên có thể xẩy ra việc con đường tìm rachưa phải là tốt nhất Do phải cập nhật định kỳ các bảng định tuyến, nên mộtlượng băng thông đáng kể sẽ bị chiếm dụng Ngoài ra, do các Router hội tụchậm, 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 toánđường đi ngắn nhất từ nút nguồn đến tất cả các nút đích trong mạng Thuậttoán Dijkstra được áp dụng trong giao thức định tuyến trạng thái liên kết đượcthực 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 điềunày, mỗi nút phát đi tới toàn mạng những thông tin về các nút khác mà nó cóthể kết nối được, và từng nút góp thông tin một cách độc lập vào bản đồ Sửdụng bản đồ này, mỗi nút sau đó sẽ xác định được tuyến đường tốt nhất từ nóđến mọi nút khác

Thuật toán này xây dựng cấu trúc dữ liệu dưới dạng cây, trong đó núthiện tại là gốc, và chứa mọi nút khác trong mạng Bắt đầu với một cây banđầu 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 tụcquá trình đến khi mọi nút đều được thêm vào cây

Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bướctruyền 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 tìnhhuống xảy ra Do không gởi cập nhật định kỳ như vector khoảng cách, nênthuật 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 phứctạp, nên chiếm nhiều bộ nhớ Đồng thời, việc sử dụng các giao thức địnhtuyến truyền thống trong mạng MANET sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề trở ngạicần giải quyết như tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhập định kỳnhư trong giao thức định tuyến vector khoảng cách, tiêu tốn băng thông mạngcho các cập nhập định kỳ, làm quá tải bộ vi xử lý của thiết bị khi các thông tincập 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 nhượcđiểm của nó là khả năng hội tụ chậm khi mạng lớn và thay đổi, điều này dẫnđến sự phát triển của các thuật toán trạng thái kết nối tuy phức tạp hơn nhưngtốt hơn để dùng trong các mạng lớn

Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứngnhanh nhạy hơn, và trong một khoảng thời gian có hạn, đối với sự thay đổikết nối Ngoài ra, những gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạngthái kết nối thì nhỏ hơn những gói dùng trong định tuyến bằng vector Địnhtuyến bằng vector đòi hỏi bảng định tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trongkhi định tuyến bằng trạng thái kết nối thì chỉ có thông tin về láng giềng củanút được truyền đi Vì vậy, các gói này dùng tài nguyên mạng ở mức khôngđáng kể Khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là nó đòihỏi 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 diđộng, giao tiếp không dây, có khả năng truyền thông trực tiếp với nhau hoặcthông qua các nút trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp Các nút mạng vừađóng vai trò như thiết bị truyền thông vừa đóng vai trò như thiết bị địnhtuyến Với nguyên tắc hoạt động như vậy, nó không bị phụ thuộc vào cơ sở hạtầng mạng cố định nên có tính linh động cao, đơn giản trong việc lắp đặt, chiphí triển khai và bảo trì thấp

Một trong những phương pháp phân loại giao thức định tuyến trên mạngMANET phổ biến nhất là dựa vào cách các nút mạng thiết lập và duy trì thôngtin định tuyến Sử dụng phương pháp này, các giao thức định tuyến trên mạngMANET được chia thành 3 loại: Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table –driven Routing Protocols), Giao thức định tuyến theo yêu cầu (On – DemandRouting 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 địnhtuyến chủ động (Proactive Routing Protocol) Trong giao thức định tuyến chủđộng, các nút trong mạng liên tục đánh giá các tuyến đường đến tất cả các nútcòn lại và cố gắng duy trì 1 bảng định tuyến cập nhật Vì vậy, nút nguồn ngaylập 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 cầnduy trì một cái nhìn nhất quán về kiến trúc mạng Khi kiến trúc mạng có sựthay đổi thì những cập nhật tương ứng phải được lan truyền trên toàn mạng đểthông báo về sự thay đổi Sử dụng thuật toán định tuyến chủ động, các nútmạng chủ động cập nhật trạng thái mạng và duy trì các tuyến đường ngay cảkhi tuyến đường đó không được sử dụng dẫn đến sự lãng phí tài nguyên, ảnhhưởng đến băng thông của mạng Do đó, giao thức định tuyến chủ động chỉthích 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 tiêubiểu: Giao thức DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), Giao thứcOLSR (Optimized Link State Routing), Giao thức WRP (Wireless RoutingProtocol) …

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 giaothức định tuyến bị động (Reactive Routing Protocols) Khác với các giao thứcđịnh tuyến chủ động, theo giao thức định tuyến bị động, các con đường đi sẽđược tạo ra khi có nhu cầu Nghĩa là, khi một nút nguồn muốn gửi dữ liệu đếnnút đích, trước hết nó phải khởi đầu một quá trình khám phá tuyến để tìmđường đi đến đích (Route Discovery) Quá trình này chỉ hoàn tất khi đã tìm ramột 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 sốđịnh 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 khôngphát quảng bá đến các nút láng giềng về các thay đổi của bảng định tuyến theothời 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 SourceRouting), 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 vànhược điểm riêng Đối với giao thức định tuyến chủ động, các nút duy trì mộtbảng định tuyến chứa đường đi đến tất cả các nút trong mạng và bảng địnhtuyến này sẽ được cập nhật khi kiến trúc có bất kỳ sự thay đổi nào Vì vậy, ưuđiểm của giao thức định tuyến chủ động là nút nguồn ngay lập tức có tuyếnđường để gửi dữ liệu đến nút đích Tuy nhiên, việc lưu trữ đường đi đến tất cảcác nút trên mạng ngay cả khi có những tuyến đường không sử dụng sẽ tiêutốn một dung lượng bộ nhớ đáng kể nhất là trong trường hợp mạng có sốlượng nút lớn Bên cạnh đó, các giao thức chủ động cũng không thích hợp đốivới 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 gửicác 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 điđến 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 đượcgói tin yêu cầu từ nút nguồn, nó sẽ tạo gói tin trả lời đường đi và gửi ngượctrở về nút nguồn Khi đó nút nguồn sẽ gửi dữ liệu đi theo tuyến đường đã tìmđược 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, cácgiao thức định tuyến thích hợp với mô hình mạng có nhiều nút, các nútthường xuyên di chuyển Các giao thức định tuyến bị động khắc phục đượcnhược điểm của các giao thức chủ động, tiết kiệm được bộ nhớ do không phảilưu đường đi đến tất cả các nút trong mạng, đồng thời không phải tiêu tốnnhiều băng thông cho việc duy trì bảng định tuyến Tuy nhiên, khi sử dụnggiao thức định tuyến bị động, độ trễ sẽ lớn, dữ liệu sẽ phải chờ cho đến khituyến 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 dữliệu giữa 2 nút trong cùng một vùng sẽ được thực hiện theo giao thức địnhtuyến chủ động Ngược lại, khi nút nguồn và nút đích thuộc 2 vùng khácnhau, giao thức định tuyến bị động sẽ được sử dụng để truyền dữ liệu từ nútnguồn đến nút đích

Việc sử dụng các giao thức định tuyến chủ động trong vùng và giaothức định tuyến bị động giữa các vùng sẽ phát huy được ưu điểm xác địnhđường đi nhanh của giao thức định tuyến chủ động Ngoài ra, do chỉ áp dụngtrong một vùng nên các nút không phải tốn nhiều bộ nhớ để lưu đường đi đếntất cả các nút trong mạng mà nó chỉ lưu đường đi đến các nút trong vùng màthôi, và cũng tránh được việc phải tốn nhiều băng thông cho việc duy trì bảngđịnh 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 cácvùng khi cần thiết.

Một số giao thức định tuyến lai ghép tiêu biểu: Giao thức ZRP (ZoneRouting 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 MeshNetworking) và kết nối mạng vô tuyến, nhiều chặng, di động (Mobile,Multihop, Wireless Networking) Vấn đề nổi trội của kết nối mạng di độngvới 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 thểquản lý hiệu quả các nhóm mạng ad hoc nhiều chặng, trong đó các nhómmạng có thể hoạt động độc lập hoặc cũng có thể kết nối với một số điểmInternet cố định

Các ứng dụng của công nghệ MANET có thể bao gồm các ứng dụngcông nghiệp và thương mại liên quan đến trao đổi dữ liệu di động có tính chấtcộng tác lẫn các máy Ngoài ra, các mạng di động cấu hình lưới có thể đượcvận hành một cách hiệu quả dưới dạng mạng thay thế hoặc mạng mở rộng củamạng 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 mạngtrong 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 thểcung cấp các ứng dụng cho các mạng MANET Khi được kết hợp một cáchhợp lý với truyền thông vệ tinh, mạng MANET có thể cung cấp các phươngthức 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 mạngthật 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 phụthuộc 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 truyềnthông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng

Trường học: Chúng ta cũng có thể thiết lập các mạng Ad hoc trongtrường 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 đổibài 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 cácthiết bị di động của bạn với nhau, nhờ đó ta có thể di chuyển tự do mà vẫnđảm bảo kết nối truyền tải dữ liệu

Kết nối các thiết bị điện tử với nhau: Trong những năm tới khi mà cácthiết bị điện tử đều được gắn các giao tiếp không dây, giúp chúng có thể traođổi giao tiếp với nhau thì mạng Ad hoc sẽ rất phù hợp để tạo nên một hệthống 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 đặcđiểm, các cách phân loại và những ứng dụng của mạng MANET trong cuộcsống Bên cạnh đó, chương 1 đã trình bày một cách tổng quát các giao thứcđịnh tuyến trên mạng MANET cũng như phân tích những ưu điểm nhượcđiểm 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 nhiênnhược 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 bộnhớ và băng thông Tuy nhiên, thời gian trễ của nó lại rất lớn do mỗi khi cóyêu 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 chếđịnh 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 nhữngnhược điểm của hai cơ chế định tuyến chủ động và bị động Với giao thứcđịnh tuyến lai ghép, sự lãng phí bộ nhớ và băng thông trong cơ chế định tuyếnchủ động của mỗi nút được hạn chế bằng cách giảm phạm vi duy trì các tuyếnđường chủ động trong mỗi vùng Đồng thời, việc khám phá đường đi chỉđược thực hiện khi nút nguồn và nút đích không nằm cùng vùng để làm giảmthời 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 nhiềuthời gian để định tuyến Giao thức định tuyến ZRP [8] (Zone RoutingProtocol) 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 chủđộng và bị động [7], [8]

ZRP làm giảm phạm vi của giao thức định tuyến chủ động đến gần trungtâm vùng của mỗi nút Trong một vùng giới hạn như vậy, việc duy trì thông tinđịnh tuyến trở nên dễ dàng hơn Hơn nữa, số lượng thông tin định tuyến khôngbao giờ sử dụng được cực tiểu hóa Bên cạnh đó, đường đi đến những nút ở xacũng có thể có được với giao thức định tuyến bị động Vì mọi nút chủ động lưutrữ thông tin định tuyến trong vùng, nên yêu cầu định tuyến có thể được thựchiện 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 mộtgiao thức phẳng vì ZRP chia mạng thành các vùng chồng chéo Điều này giúpcho ZRP tránh được các chi phí tổ chức và duy trì một bản đồ phân cấp củamạng Hơn nữa, các hoạt động của ZRP là thích nghi, phụ thuộc vào kiến trúchiện 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 cácvùng 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 cókhoảng 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 Nútbiên 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 đếnđược bằng 2 con đường, một đường có độ dài là 2 hops và một đường có độdài 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 cácgói tin khám phá tuyến đường liên vùng được yêu cầu Thay vì phải quảng bácác 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 tuyếnđường cho gói tin đến đích, nó chuyển tiếp gói tin đến các nút biên Các nútbiên này có lưu trữ thông tin của các vùng láng giềng, vì vậy nó có thể đưa raquyết định địa điểm chuyển tiếp gói tin đến Quảng bá biên sử dụng các thôngtin 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 phápquảng bá biên (BRP – Bordercast Resolution Protocol) BRP [6] sử dụngthông tin định tuyến của vùng để xây dựng cây quảng bá biên cho các gói tintruy vấn tuyến đường Việc sử dụng quảng bá biên thay cho quảng bá sẽ làmcho việc truy vấn tuyến đường hiệu quả hơn

Như các giao thức định tuyến khác, đầu tiên một nút cần phải biết vềcác láng giềng của nó trước khi nó có thể xây dựng vùng định tuyến và xácđịnh 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 – NeighborDiscovery 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 nhậnđược một gói tin như vậy, nó có thể đánh dấu là nó có kết nối điểm – điểmtrực 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 nhưcường độ tín hiệu hoặc tầng số/độ trễ của gói tin, v.v… Một khi các thông tinđịnh tuyến địa phương được thu thập, nút định kỳ quảng bá các gói tin khámphá để danh sách các láng giềng của nó luôn được cập nhật Nếu lớp MACcủa 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 độngđộc lập và có thể sử dụng các kỹ thuật khác nhau để đem lại hiệu quả caonhất Chẳng hạn như giao thức định tuyến bị động AODV có thể được sửdụng như là IERP, trong khi đó IARP phổ biến nhất là một giao thức chủđộng như OLSR

Sự liên hệ giữa các thành phần được minh họa ở hình 2.2 Việc cậpnhật các tuyến đường được NDP kích hoạt bằng các thông báo cho IARP khidanh 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 đượcIERP chuyển tiếp với BRP BRP cũng sử dụng bảng định tuyến của IARP đểhướng 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 cónằm trong vùng định tuyến của nó hay không bằng cách sử dụng thông tin doIARP cung cấp Nếu nút đích nằm trong vùng định tuyến của nút nguồn thìgói tin được định tuyến chủ động theo thông tin định tuyến của IARP Ngượclại, nếu nút đích không nằm trong vùng định tuyến của nút nguồn thì địnhtuyến bị động sẽ được sử dụng

Tiến trình định tuyến bị động được chia thành 2 giai đoạn: giai đoạnyêu cầu tuyến đường và giai đoạn trả lời tuyến đường Trong giai đoạn yêucầu tuyến đường, nút nguồn gửi 1 gói tin yêu cầu tuyến đường đến các nútbiên của nó bằng cách sử dụng BRP Nếu nút tiếp nhận gói tin yêu cầu biếtnút 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 nútnhận được nhiều bản sao của cùng một yêu cầu tuyến đường, thì các bản saonày 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 thểcung cấp một tuyến đường đến nút đích Để có thể gửi câu trả lời trở về nútnguồn, thông tin định tuyến phải được tích lũy khi gói tin yêu cầu được gửiqua mạng Thông tin định tuyến được ghi lại cả trong gói tin yêu cầu và địachỉ 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 nútđích 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 trìnhhoạt động của ZRP Nếu bán kính vùng là 1, thì quá trình định tuyến hoàntoàn 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

Hình 2.4 Sơ đồ thuật toán của giao thức ZRP

Bắt đầu

Nút nguồn A gởi dữ liệu đến nút đích S

IARP kiểm tra thông tin của nút S?

Gởi gói tin ROUTE REPLY đến A Có

IARP yêu cầu truy vấn đến IERP

IERP sử dụng BRP chuyển gói tin đến nút

biên

Các nút biên dùng IARP kiểm tra thông tin của nút S?

Có

Không

2.1.3.1 Định tuyến nội vùng IARP

Vì ZRP giả thiết rằng việc khám phá các láng giềng đã được thực hiện

và được cung cấp bởi NDP, nên thành phần giao thức đầu tiên của ZRP làgiao thức định tuyến nội vùng IARP (Intra-zone Routing Protocol) Giao thứcnày được nút sử dụng để giao tiếp với các nút trong vùng định tuyến của nó

và như vậy giao thức bị giới hạn bởi bán kính vùng r (số hops từ nút trung

tâm đến các nút biên của nó)

Do các nút trong vùng định tuyến của nó có thể thay đổi một cáchnhanh chóng và do những thay đổi trong kiến trúc vùng có khả năng tác độngđến hoạt động định tuyến của các nút lớn hơn sự thay đổi trong phần còn lạicủa mạng nên IARP là một giao thức định tuyến chủ động

Nút cần liên tục cập nhật thông tin định tuyến để xác định các nút biêncũng như duy trì bản đồ các nút trong vùng IARP cho phép tối ưu tuyếnđường trong vùng thông qua việc loại bỏ các tuyến đường dự phòng và rútgọn các tuyến đường nếu một tuyến đường có số hops nhỏ hơn được tìm thấy

IARP là giao thức định tuyến chủ động, nên việc khám phá tuyếnđường trong vùng rất hiệu quả và các tuyến đường đến các nút đích trongvùng được đáp ứng ngay lập tức Để không sử dụng vượt quá băng thôngđược cung cấp, IARP bị hạn chế định tuyến trong vùng

Việc khám phá tuyến đường trên toàn mạng, giao tiếp với các nút trongvùng khác được thực hiện bằng cách gửi các gói tin truy vấn đến các nút biênthay vì quảng bá đến tất các nút trong vùng Để áp dụng một giao thức trạngthái liên kết chủ động truyền thống như là IARP trong ZRP thì phạm vi của

giao thức cần phải được giới hạn trong bán kính r của vùng Điều này có thể thực hiện được bằng cách bổ sung thêm trường Time To Live (TTL) vào các gói tin yêu cầu khám phá tuyến đường với giá trị khởi tạo bằng p – 1, và giảm

1 khi đi qua mỗi nút cho đến khi bằng 0 thì gói tin bị loại bỏ

2.1.3.2 Định tuyến liên vùng IERP

Là thành phần định tuyến bị động trên toàn mạng của ZRP, giao thứcđịnh tuyến liên vùng IERP tận dụng những tri thức đã biết về kiến trúc củacác vùng và sử dụng cách tiếp cận bị động cho sự giao tiếp giữa các nút trongcác vùng khác nhau

Các gói tin truy vấn tuyến đường trong IERP được tạo ra khi có yêucầu, điều đó có nghĩa là tuyến đường chỉ được xây dựng khi có yêu cầu Độtrễ do việc khám phá tuyến đường được tối thiểu hóa bằng cách sử dụngquảng bá biên Nghĩa là nút không gửi truy vấn đến tất cả các nút mà chỉ gửiđến các nút biên trong vùng định tuyến của nó Ngoài ra, nút cũng không gửilại truy vấn cho các nút đã nhận truy vấn mặc dù các nút này là nút biên

Để chuyến một giao thức định tuyến bị động thành IERP của ZRP, cầnphải vô hiệu hóa các hoạt động cập nhật bị động các tuyến đường trong cácvùng, vì chức năng này do IARP cung cấp Hơn nữa, IERP cần phải tận dụngnhững thông tin định tuyến nội vùng do IARP cung cấp, cũng như thay đổicách thức khám phá tuyến đường được thực hiện Thay cho việc quảng bá góitin yêu cầu đến tất cả các nút, IERP sử dụng giải pháp quảng bá biên BRP(Bordercast Resolution Protocol) để bắt đầu quá trình yêu cầu tuyến đườngvới chỉ các nút biên

Khi một nút có gói tin để gửi những tuyến đường đến nút đích không

có sẵn, nghĩa là nút đích không nằm trong vùng định tuyến của nút nguồn, nútnguồn sẽ gửi quảng bá biên gói tin yêu cầu tuyến đường ROUTE_REQUESTbằng cách sử dụng BRP Khi nhận được một gói tin ROUTE_REQUEST, nút

sẽ thực hiện các bước:

- Bước 1: Nút thêm địa chỉ IP của nó cùng các số liệu liên kết vào gói

tin nhận được

- Bước 2: Nút kiểm tra bảng định tuyến của nó để tìm tuyến đường đến

nút đích truy vấn Nếu tuyến đường đến đích truy vấn được tìm thấy, tuyếnđường được thêm vào phần tuyến đường tích lũy của gói tinROUTE_REQUEST Tuyến đường đầy đủ được sao chép vào gói tinROUTE_REPLY Gói tin ROUTE_REPLY được IERP chuyển ngược trở lại nútnguồn truy vấn theo tuyến đường tích lũy đảo ngược Ngược lại, qua bước 3

- Bước 3: Nút sẽ chuyến tiếp gói tin ROUTE_REQUEST đến các láng

giềng được xác định bởi dịch vụ quảng bá biên do BRP cung cấp

Như vậy, quá trình tiếp tục đến khi nút nguồn nhận được trả lời vềđường đi đến đích hoặc thông tin rằng không thể định tuyến đến đích

IERP cũng thúc đẩy việc tìm hiểu kiến trúc vùng định tuyến để hỗ trợcho việc duy trì tuyến đường chủ động nội vùng Khi IARP của một nút pháthiện có sự thay đổi trong kết nối vùng định tuyến của nó, IERP được thôngbáo và tiến hành xem xét lại trạng thái của các tuyến đường của nó Đối vớimỗi tuyến đường IERP, nút xác định một đường đi thay thế qua vùng địnhtuyến của nó làm tối thiểu hóa khoảng cách đến nút đích Điều này để phục vụcho việc bỏ qua các liên kết hỏng và các đoạn đường phụ tối ưu Các tuyếnđường cập nhật được lưu vào bảng định tuyến IERP

2.1.3.3 Giải pháp quảng bá biên BRP

Giải pháp quảng bá biên BRP (Bordercast Resolution Protocol) được

sử dụng trong ZRP để hướng dẫn các gói tin yêu cầu tuyến đường do IERPkhởi tạo truyền đến các nút biên, nhờ vậy mà loại bỏ được các truy vấn dưthừa và tối đa hóa hiệu quả Để làm được như vậy, BRP sử dụng bản đồ núttrong các vùng do IARP cung cấp để xây dựng một cây quảng bá biên Khônggiống như IARP và IERP, BRP không phải là một giao thức định tuyến, BRP

là dịch vụ gửi gói tin

BRP theo dõi các gói tin truy vấn do các nút gửi đi, vì vậy BRP có thểlược bỏ cây quảng bá biên của các nút đã nhận được và đã chuyển tiếp gói tintruy vấn Khi một nút cần một tuyến đường đến nút đích để gửi các gói tin,đầu tiên, nó kiểm tra nút đích có nằm trong vùng định tuyến của nó haykhông Nếu đường đi đến đích đã biết thì quá trình khám phá tuyến đườngkhông được yêu cầu Ngược lại, nếu nút đích không nằm trong cùng vùngđịnh tuyến với nút nguồn, nút đích xây dựng một “cây quảng bá biên” baotrùm tất cả các nút biên của nó Sau đó, nó chuyển tiếp gói tin truy vấn tuyếnđường đền các láng giềng trong cây này Khi nhận được gói tin truy vấn, cácnút biên xác định nó có thuộc cây của nút gửi hay không, vì chỉ các phần tửcủa cây mới cần thiết phải xử lý truy vấn tuyến đường Nếu nút xác định nókhông thuộc cây truy vấn thì nó chỉ đơn giản thực hiện lưu ý tiếp nhận và sau

đó loại bỏ gói tin này Nếu nút thuộc cây truy vấn của nút chuyển tiếp, thì nótiến hành xử lý truy vấn tuyến đường

Nếu nút đích truy vấn nằm trong vùng định tuyến của nút, nút gửi góitin trả lời tuyến đường trở lại nút nguồn, điều này có nghĩa là một tuyếnđường đến nút đích được khám phá Ngược lại, nút xây dựng cây quảng bábiên bao trùm tập con các nút biên chưa được truy vấn bao phủ của nó (Cácnút được truy vấn bao phủ là các nút đã xử lý gói tin truy vấn tuyến đường.Mục tiêu của quảng bá biên là chuyến tiếp truy vấn tuyến đường đến các nútbiên chưa được truy vấn bao phủ) Sau đó, nút chuyển tiếp gói tin truy vấnđến các nút trong cây quảng bá biên của nó Sau khi chuyển tiếp truy vấn, nútđược đánh dấu là đã được truy vấn bao phủ, do đó không cần thiết phảichuyển tiếp các bản sao của truy vấn này đến nút này nữa