cải tiến và đánh giá hiệu năng mạng định tuyến đi vòng dựa trên phân loại nút theo góc phân tử

Tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý Với sự phát triển ngày càng nhanh của hệ thống mạng máy tính không dây như: Wireless Network, Ad hoc network, Sensor netwo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUỐC DŨNG

CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐI VÒNG DỰA TRÊN PHÂN LOẠI NÚT THEO GÓC PHẦN TƯ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN QUỐC DŨNG

CẢI TIẾN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐI VÒNG DỰA TRÊN PHÂN LOẠI NÚT THEO GÓC PHẦN TƯ

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG XUÂN TÙNG

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn được đo đạc thực nghiệm trung thực và chưa được công bố ở bất kỳ công trình khoa học nào khác Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình

Học viên

Nguyễn Quốc Dũng

và các tiêu chí của nghiên cứu khoa học Kính mong quí thầy cô góp ý để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Quốc Dũng

NHẬN XÉT CỦA GV HƯỚNG DẪN, GV PHẢN BIỆN

MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỬ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH 11

LỜI MỞ ĐẦU 12

Chương 1 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO THÔNG TIN VỊ TRÍ ĐỊA LÝ 15

1.1 Tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý 15

1.2 Các chiến lược định tuyến trong định tuyến địa lý 17

1.2.1 Chiến lược định tuyến tham lam 17

1.2.2 Chiến lược định tuyến đi vòng 18

1.2.3 Chiến lược định tuyến phát tràn 19

1.3 Giao thức định tuyến “Greedy Perimeter Stateless Routing” 21

1.3.1 Tổng quan 21

1.3.2 Thuật toán định tuyến GPSR 22

Chương 2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN “DETOUR ROUTING BASED ON QUADRANT CLASSIFICATION” 25

2.1 Tổng quan 25

2.2 Chuyển tiếp tham lam và vấn đề vùng trống trong DRQC 26

2.2.1 Chiến lược chuyển tiếp tham lam 26

2.2.2 Vấn đề vùng trống trong giao thức DRQC 27

2.3 Thuật toán định tuyến trong giao thức DRQC 28

2.3.1 Khái niệm, định nghĩa 28

2.3.2 Trạng thái của các nút 28

2.3.3 Định dạng thông điệp gửi 29

2.3.4 Cấu trúc dữ liệu 30

2.3.5 Thuật toán xử lý định tuyến DRQC 31

Chương 3 GIAO THỨC “DETOUR ROUTING BASED ON

COORDINATES ROTATION” 34

3.1 Hạn chế của giao thức định tuyến DRQC 34

3.1.1 Nút tối ưu không thuộc góc với nút đích 34

3.1.2 Ví dụ định tuyến không tối ưu theo DRQC 36

3.2 Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức DRQC 37

3.2.1 Giải pháp quay trục tọa độ 37

3.2.2 Phương pháp quay trục áp dụng trong DRQC 40

3.2.3 Ví dụ 41

Chương 4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 44

4.1 Môi trường cài đặt chương trình mô phỏng 44

4.2 Đánh giá tỷ lệ chuyển gói tin thành công trong mạng 44

4.2.1 Kịch bản mô phỏng 44

4.2.2 Kết quả thực hiện đánh giá 45

4.3 Thông lượng trung bình của các giao thức định tuyến địa lý 47

4.3.1 Kịch bản mô phỏng 47

4.3.2 Kết quả thực nghiệm và phân tích 48

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤC LỤC 1 52

I CÔNG CỤ MÔ PHỎNG SỰ KIỆN MẠNG NS-3 52

1.1 Tổng quan về NS-3 52

1.2 Các thành phần của NS-3 53

i Node 54

ii Application 54

iii Channel 54

iv Net Device 54

3 Cài đặt NS-3 55

i Các phần mềm cần thiết 55

a) Mercurial 55

b) Waf 55

ii Cài đặt và kiểm tra và thực hiện mô phỏng 56

a) Cài đặt NS-3 56

iii Kiểm tra cài đặt và chạy thử chương trình 61

4 Thêm mới module, cài đặt giao thức định tuyến GPSR và DRQC 63

i Thêm mới module vào dự án NS-3 63

ii Cài đặt giao thức định tuyến DRQC, GPSR 64

iii Cài đặt giao thức DRQC 64

iv Cài đặt giao thức GPSR 70

PHỤ LỤC 2 71

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỬ VIẾT TẮT

1 AODV Ad-Hoc On-Demad Distance Vector Routing

2 DR-CR Detour Routing based on Coordinates Rotation

3 DRQC Detour Routing Quadrant Classification Protocol

4 DSR Dynamic Source Routing (DSR) [6]

5 GOAFR Greedy Other Adaptive Face Routing

6 GPS Global Positioning System

7 GPSR Geographic Perimeter Stateless Routing Protocol

8 GRP Geographics Routing Protocol

9 NS3 Network Simulator 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Định dạng thông điệp quảng bá 27

Bảng 2-2: Định dạng thông điệp dữ liệu 28

Bảng 2-3: Định dạng thông điệp phản hồi 28

Bảng 2-4: Định dạng cấu trúc bảng định tuyến 29

Bảng 2-5: Định dạng cấu trúc bảng hàng xóm 30

Bảng 3-1: Danh sách các nút hàng xóm DR-CR 39

Bảng 3-2: Danh sách nút hàng xóm mới DR-CR 40

Bảng 4-1: Bảng thông số kịch bản mô phỏng mạng ngẫu nhiên 42

Bảng 4-2: Kết quả tỷ lệ chuyển gói tin thành công 43

Bảng 4-3: Thông số mô phỏng mạng cố định 45

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Các tiêu chí lựa chọn trong chiến lược tham lam 17

Hình 1-2 Chiến lược định tuyến phẳng trong định tuyến địa lý 19

Hình 1-3 Chuyển tiếp tham lam trong GPSR 22

Hình 1-4 Vấn đề vùng trống trong GPSR 23

Hình 1-5 Quy tắc bàn tay phải 24

Hình 2-1 Định tuyến gói tin theo chiến lược tham lam 26

Hình 2-2 Vùng trống trong giao thức DRQC 27

Hình 2-3 Định nghĩa các nút trong DRQC 28

Hình 2-4 Trạng thái của nút trong DRQC 29

Hình 2-5 Các bước xử lý tìm kiếm đường đi 32

Hình 2-6 Các bước xử lý gói tin phản hồi 33

Hình 3-1 Ví dụ định tuyến DRQC không tối ưu 34

Hình 3-2 Nút tối ưu nằm trên trục tọa độ 35

Hình 3-3 Nút tối ưu không thuộc góc phần tư nút đích 35

Hình 3-4 Ví dụ định tuyến không hiệu quả 36

Hình 3-5 Hệ trục tọa đọ của một nút 37

Hình 3-6 Xoay trục tọa độ của một nút 38

Hình 3-7 Xác định trục tọa độ mới 39

Hình 3-8 Tính góc trục tọa độ mới 40

Hình 3-9 Thuật toán cải tiến định tuyến DRQC 41

Hình 3-10 Ví dụ về định tuyến gói tin DR-CR 42

Hình 3-11 Ví dụ về xoay trục định tuyến gói tin DR-CR 42

Hình 4-1 Cấu trúc mạng gồm 50 nút 45

Hình 4-2 Cấu trúc mạng gồm 100 nút 45

Hình 4-3 Cấu trúc mạng gồm 150 nút 45

Hình 4-4 Cấu trúc mạng gồm 200 nút 45

Hình 4-5 Cấu trúc mạng gồm 250 nút 45

Hình 4-6 Biểu đồ tỷ lệ chuyển gói tin thành công 46

Hình 4-7.Cấu trúc mạng có vị trí cố định 47

Hình 4-8 Thông lượng theo thời gian của các giao thức 48

LỜI MỞ ĐẦU

Định tuyến gói tin trong mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) luôn gặp phải rất nhiều thách thức Thách thức từ chính các cấu trúc mạng luôn thay đổi hoặc những rào cản địa lý như sông, hồ, rừng, núi, Những vấn đề trên là đối tượng nghiên cứu của nhiều giao thức định tuyến của mạng WSN như: Dynamic Source Routing (DSR) [6], Ad-Hoc On-Demad Distance Vector Routing (AODV) [6], Định tuyến theo thông tin vị trí địa lý (geographic routing) là một nhánh nghiên cứu của vấn đề định tuyến trong mạng WSN và có khả năng nâng cao hiệu suất định tuyến một cách đáng kể do các nút không cần lưu trữ và cập nhật bảng định tuyến tới từng nút trong mạng [7]

Có nhiều giao thức định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý đã được trình bày, đề xuất như GPSR [3], DRQC [8], GOAFR [9] [2] Tổng hợp lại từ các giao thức đã được đề xuất có thể đúc kết ra một vài chiến lược định tuyến như chiến lược tham lam [7], chiến lược tham lam kết hợp đi vòng [7] chiến lược phát tràn [6], chiến lược phân chia nút theo góc phần tư [1] Trong đó chiến lược định tuyến phân chia nút theo góc phần tư là một chiến lược có nhiều ưu điểm

do kết hợp được tính hiệu quả của chiến lược tham lam và tránh được vùng trống sớm

Trong luận văn này tôi tập trung trình bày về chiến lược định tuyến dựa theo phân chia nút theo góc phần tư Cụ thể, luận văn nghiên cứu chi tiết giao thức DRQC [8], từ đó đánh giá và phát hiện hạn chế của giao thức này Dựa trên phân tích về hạn chế của giao thức DRQC, một cải tiến mới cho thuật toán, được đặt tên là DR-CR (Detour Routing based on Coordination Rotation), được đề xuất Các thí nghiệm mô phỏng đánh giá hiệu năng của đề xuất được thực hiện

và cho thấy đề xuất cải tiến có thể nâng cao hiệu năng của định tuyến so với giao thức DRQC gốc và cao hơn giao thức GPSR, một giao thức nổi tiếng và phổ biến trong mạng WSN

Việc mô phỏng, đánh giá hiệu năng được trình bày trong luận văn dựa trên công cụ mô phỏng sự kiện mạng Network Simulation 3 (NS-3) [10][11] Đây là một công cụ mô phỏng sự kiện mạng được phát triển sau NS-2 và có nhiều cải tiến về mặt cấu trúc để nhà phát triển có thể tự do hơn khi thực thi các giao thức mạng Đồng thời việc mô phỏng cũng được thực hiện hiệu quả hơn và chi tiết hơn với nhiều khả năng đưa các sự kiện mô phỏng vào hệ thống [10] Hạn chế của NS-3 so với công cụ NS-2 là số lượng các thư viện giao thức đã được tích

hợp vào NS-3 là ít hơn so với NS-2 do cộng đồng người sử dụng NS-3 còn chưa đông Để thực hiện luận văn, các giao thức DRQC và DR-CR (DRQC cải tiến) được thực hiện theo các quy định lập trình của NS-3 Phần triển khai của giao thức GPSR là được sử dụng lại mã nguồn GPSR của cộng đồng phát triển NS-3 Việc lựa chọn NS-3 thay vì NS-2 là nhằm mục đích khám phá khả năng của một công cụ phục vụ nghiên cứu mới Tuy nhiên mục tiêu này không là mục tiêu chính của luận văn

Nội dung của bài Luận văn gồm có 4 chương chính

Chương 1- Giao thức định tuyến theo thông tin địa lý

Tóm lược tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý trong mạng cảm biến không dây, các chiến lược định tuyến trong mạng không dây Trong chương 1, còn tập trung giới thiệu về giao thức định tuyến “Greedy Perimeter Staless Routing”, là giao thức định tuyến áp dụng chiến lược định tuyến tham lam phổ biến và hiệu quả

Chương 2 – Giao thức định tuyến “Detour Routing Based on Quadrant Classification”

Giới thiệu giao thức định tuyến địa lý “Detour Routing Based on Quadrand Classification – DRQC” [8] đã được nhóm tác giả công bố trong một số công trình nghiên cứu của họ Kiến thức phần chương 2 tập trung phân tích và giới thiệu về giao thức định tuyến đi vòng dựa trên phân loại nút theo góc phần tư giúp làm cơ sở cho sự cải tiến giao thức DR-CR ở chương 3

Chương 3 – Giao thức Detour Routing based on Coordinates Rotation

Nội dung chương 3, phân tích một số hạn chế của giao thức DRQC Trong chương 3, chúng tôi đề xuất giải pháp quay trục giúp cho định tuyến gói tin hiệu quả hơn Cải tiến mới này được đặt tên là Detour Routing based on Coordination

Rotation (DR-CR)

Chương 4 – Đánh giá hiệu năng

Giới thiệu về kịch bản mô phỏng, đánh giá hiệu năng của ba giao thức định tuyến GPSR, DRQC và DR-CR (cải tiến từ DRQC), cũng như đánh giá và nhận xét về tỷ lệ chuyển tiếp gói tin thành công, thông lượng trung bình của ba giao thức trong từng trường hợp khác nhau

Kết luận

Phần này đưa ra một số kết quả đạt được của quá trình nghiên cứu luận văn, rút ra một số hạn chế, vấn đề gặp phải Phần này sẽ trình bày một số định hướng tiếp theo giúp hoàn thiện vấn đề nghiên cứu trong tương lai

Chương 1 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO THÔNG TIN

VỊ TRÍ ĐỊA LÝ 1.1 Tổng quan về giao thức định tuyến theo thông tin vị trí địa lý

Với sự phát triển ngày càng nhanh của hệ thống mạng máy tính không dây như: Wireless Network, Ad hoc network, Sensor network… cũng như yêu cầu

về chất lượng của các dịch vụ của các ứng dụng mạng ngày càng cao dẫn tới phát triển và cải tiến các thuật toán về định tuyến (quyết định đường đi một gói tin trên mạng máy tính) trong mạng máy tính không dây Có rất nhiều thuật toán định tuyến cho mạng không dây như AODV [6], DSR [6], GPSR [3], … Hiện nay những thuật toán định tuyến gói tin theo thông tin vị trí địa lý (Geographic Routing Protocol) đã được nghiên cứu rất nhiều, có hơn 50 giao thức đã được đề xuất [2] trong những năm gần đây

Những thuật toán định tuyến địa lý Geographic Routing Protocols (GRP) dùng thông tin vị trí địa lý của các thiết bị trong hệ thống mạng để quyết định việc gửi gói tin trong mạng Không giống như những thuật toán định tuyến theo cấu trúc mạng (Mạng máy tính có dây), các thuật toán định tuyến địa lý không cần phải duy trì và cập nhật thông tin bảng định tuyến [7] GRP sử dụng thông tin địa lý – Global Positioning System (GPS) để định tuyến Nhiều thuật toán định tuyến theo vị trí địa lý sử dụng chiến lược tham lam (greedy) nhằm cố gắng tiếp cận tới vị trí nút đích trong mỗi bước chuyển tiếp gói tin theo một tiêu chí tối ưu nào đó Tuy nhiên, nhiều thuật toán tham lam sẽ thất bại hoặc có hiệu suất định tuyến không cao trong các trường hợp có quá ít các nút trong phạm vi định tuyến – vùng trống (void area) Chính vì vậy, có rất nhiều thuật toán cải tiến hoặc kết hợp các chiến lược tìm kiếm khác nhau để xây dựng nên những thuật toán định tuyến tối ưu cho các trường hợp khác nhau (GPSR [3], GOAFR [9]) Định tuyến theo thông tin địa lý – định tuyến địa lý (định tuyến dựa trên vị trí địa lý hoặc là định tuyến theo hình học, là kỹ thuật gửi gói tin trong mạng qua rất nhiều nút trung gian (Hops) bằng cách sử dụng thông tin chính là thông tin vị trí địa lý của mỗi nút GRP quyết định đường đi gói tin không được xây dựng từ những địa chỉ mạng và bảng định tuyến chứa thông tin về định tuyến mà mỗi nút trong mạng sẽ sử dụng thông tin vị trí địa lý của các nút kề nó (nút hàng xóm) Mỗi một nút có thể chọn một nút hàng xóm là nút chuyển tiếp dựa theo một tiêu chí tối ưu nào đó (ví dụ nút hàng xóm gần nút đích nhất) Nút này sẽ chuyển tiếp thông tin tới nút đích qua các bước tiếp theo Thực chất mỗi nút sẽ không có bảng định tuyến, cũng không có những thiết bị định tuyến Các giao thức định

tuyến địa lý rất cần thiết cho những mạng có sự thay đổi về cấu trúc như mạng không dây, mạng ad-hoc, mạng cảm biến, Trong mạng không dây định tuyến truyền thống sử dụng thông tin bảng định tuyến và trạng thái liên kết là rất tốn kém [7] Các thuật toán định tuyến truyền thống sử dụng bảng định tuyến yêu cầu chi phí cho xử lý và gửi nhận thông tin quảng bá là rất lớn và thường xuyên phải cập nhật thông tin cho bảng định tuyến đối với những cấu trúc mạng luôn thay đổi Ngược lại, những thuật toán định tuyến địa lý được thiết kế để làm việc với những cấu trúc mạng có trạng thái luôn thay đổi và hỗ trợ tốc độ cấp phát gói tin cao trong các mạng di động Tất cả nhũng thuật toán về định tuyến địa lý đều tuân theo nhưng yêu cầu sau [7]:

- Một nút có thể xác định thông tin vị trí của chính nút đó

- Một nút có thể biết vị trí của nút hàng xóm với nó

- Trước khi chuyển tiếp thông tin phải biết trước vị trí nút đích

Với yêu cầu thứ nhất, bằng các hệ thống GPS hoặc những hệ thống vệ tinh

dò tìm chuyển hướng cơ bản, thông tin về vị trí của những thiết bị rất nhỏ có thể được dễ dàng xác định Hơn nữa hệ thống dò tìm vị trí cho những ứng dụng trong nhà, các thiết bị có kích thước nhỏ đã được phát triển từ rất sớm và ngày càng phát triển Với yêu cầu thứ 2, các nút cần quảng bá thông tin vị trí tới những thành phần khác của mạng và thông tin vị trí của một nút sẵn sàng để tính toán các nút tiếp theo gần với nút đích nhất trong quá trình định tuyến

Điều kiện chính để có những yêu cầu giả định trên là phải có hệ thống thông tin vị trí địa lý GPS Nếu GPS sẵn sàng cho các nút mạng thì định tuyến theo thông tin vị trí sẽ hỗ trợ một cách hiệu quả và mở rộng các giải pháp cho định tuyến trong mạng không dây và di động Để xác định các nút tiếp theo trong quá trình định tuyến, Có rất nhiều các chiến lược định tuyến và mỗi chiến lược định tuyến đều có những ưu và nhược điểm khác nhau Các nút mạng luôn

bị ràng buộc về phạm vi truyền tải thông tin, khi một nút không có các nút hàng xóm nào trong phạm vi truyền tin của nó, trong trường hợp này gói tin chuyển tiếp sẽ bị giữ lại và bị xóa Luận văn sẽ trình bày một vài chiến lược tìm kiếm đường đi phổ biến trong định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý mạng không dây ở phần tiếp theo

1.2 Các chiến lược định tuyến trong định tuyến địa lý

1.2.1 Chiến lược định tuyến tham lam

Một trong những phương pháp được đề xuất đầu tiên cho việc định tuyến địa lý được công bố trong những năm 1980 là chiến lược định tuyến tham lam [7] Tất cả các giao thức định tuyến áp dụng theo chiến lược tham lam thì tại các nút thực hiện chuyển tiếp sẽ quyết định chuyển tiếp gói tin một cách tối ưu theo một tiêu chí tối ưu nhất so với nút hiện tại đang thực hiện tính toán

Việc lựa chọn nút tiếp theo – next hops (Thiết bị mạng chuyển tiếp gói tin)

theo chiến lược chuyển tiếp tham lam dự trên những tiêu chí sau [7]:

- Progess (Khoảng cách tới đích): khoảng cách ngắn nhất của hình chiếu

Hình 1-1 Các tiêu chí lựa chọn trong chiến lược tham lam 1

Ví dụ Hình 1-1, giải thích chi tiết các tiêu chí lựa chọn tham lam tối ưu cho

việc định tuyến gói tin trong mạng máy tính không dây

- NC (Nearest closer): Lựa chọn theo tiêu chí nút hàng xóm ngần nút nguồn nhất

- Greedy (Tham lam): Lựa chọn tiêu chí khoảng cách ngắn nhất từ nút đích tới các nút hàng xóm

1 Nguồn: tài liệu [7]

- CR (Compass Routing): Lựa chọn tiêu chí góc tạo bởi nút hàng xóm, nút nguồn, nút đích là nhỏ nhất

- NFP : Lựa chọn nút hàng xóm có khoảng cách hình chiếu gần nút nguồn nhất

- MFR: Lựa chọn nút hàng xóm có khoảng cách hình chiếu gần nút đích nhất

Chiến lược chuyển tiếp tham lam có một nhược điểm quan trọng: khi số lượng các nút mạng trong một vùng diện tích rất ít hoặc không có hàng xóm nào gần với nút đích nhất trong mọi trường hợp thì việc định tuyến sẽ không thực hiện thành công Trong trường hợp này chiến lược định tuyến cần tới một vài thao tác đơn giản để tiếp tục định tuyến bằng chiến lược tham lam Phương thức GEDIR [5] là một chiến lược định tuyến tham lam cùng với các bước quay lui Khi một thông tin định tuyến tìm thấy vùng trống (void area), thì nó sẽ gửi gói tin về đúng nút đã chuyển tiếp trước đó, áp dụng lại quy tắc tham lam khi thực hiện việc tìm kiếm nút kết thúc từ vùng lựa chọn, đó là chiến thuật lặp tự do

Để cải thiện hiệu suất cho các thuật toán tham lam áp dụng lựa chọn MFR

và CR nếu tồn tại sẵn thông tin của nút hàng xóm cấp 2 (2- neighbhors) tương ứng của mỗi nút Một số thuật toán tham lam sử dụng thông tin của nút hàng xóm cấp 2 đã được thiết kế tuy nhiên có thể làm tăng thời gian của độ trễ truyền tin Các thuật toán tham lam với hàng xóm cấp 2 có thể được thêm vào các thuật toán thông minh để ngăn chặn những vùng trống trong định tuyến

1.2.2 Chiến lược định tuyến đi vòng

Khi định tuyến gói tin gặp phải vùng trống trong quá trình định tuyến, trong trường hợp này gói tin sẽ không đi qua được các vùng trống theo chiến lược tham lam Một số thuật toán đã được áp dụng để gói tin có thể vượt qua được các vùng trống Tuy nhiên, định tuyến theo đồ thị phẳng là chiến lược thường được sử dụng và thường áp dụng cùng với chiến lược tham lam

Định tuyến đồ thị phẳng (Planar Graph Routing) [7] là chiến lược định tuyến theo thông tin địa lý chuyển tiếp gói tin qua những vùng trống (void area) dựa vào các nút xung quanh vùng viên của các mặt phẳng theo quy tắc “bàn tay phải” hoặc “bàn tay trái” Vùng trống (vùng tối thiểu) luôn tồn tại các nút mạng quanh vùng biên của những vùng trống, tại các vùng biên một nút cần chuyển tiếp gói tin không thể tìm thấy một hàng xóm nào gần với đích hơn chính nó, nút như vậy còn gọi là nút chết Đồ thị phẳng là một nội dung quan trọng cho quá

trình phục hồi đường định tuyến gói tin từ những vấn đề vùng tối thiểu (Local

minimum) (Hình 1-2) Định tuyến đồ thị phẳng được xây dựng trên ý tưởng là

mọi liên kết các vị trí là một mạng truyền thông nằm trên các đồ thị phẳng Và một gói tin có thể chuyển tiếp thành công qua các mặt phẳng của đồ thị Định tuyến phụ thuộc vào mặt phẳng có nghĩa là các nút của mặt phẳng chuyển tiếp thông tin qua vùng mạng biên bằng cách áp dụng quy tắc “Bàn tay phải” hoặc

“Bàn tay trái” Quy tắc này rất tốt để giải quyết vấn đề chuyển gói tin qua vùng trống Một nút tìm kiếm các nút khác trong đường định tuyến nhằm để giải quyết vấn đề vùng trống luôn tìm kiếm theo một con đường duy nhất là gửi gói tin đến các nút bên trái hoặc gửi gói tin đến các nút bên phải Kỹ thuật chuyển tiếp gói tin dựa theo quy tắc bàn tay phải đã được các tác giả trình bày chi tiết trong tài liệu [7]

Hình 1-2 Chiến lược định tuyến phẳng trong định tuyến địa lý 2

Hình 1-2, các mặt phẳng F1, F2, F3, F4 được tạo bởi các nút mạng Khi áp dụng quy tắc bàn tay phải hoặc bàn tay trái Thuật toán sẽ tìm kiếm một đường chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn {s} tới nút đích {t} bằng cách chuyển tiếp qua các đường biên của từng mặt phẳng

1.2.3 Chiến lược định tuyến phát tràn

Phát tràn là một chiến lược định tuyến đơn giản trong việc tìm kiếm đường

đi của gói tin Phát tràn sẽ gửi các gói tin qua tất cả các hàng xóm ngoại trừ nút chuyển tiếp trước nó Có hai loại thuật toán phát tràn chính là pháp tràn không kiểm soát (Uncontrolled Flooding) và phát tràn có kiểm soát (Control Flooding) Thuật toán phát tràn không kiểm soát có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong quá trình quảng bá gói tin Tất cả các nút có hàng xóm sẽ gửi gói tin

2 Nguồn: tài liệu [7]

quảng bá vô thời hạn Nếu một nút có nhiều hơn hai hàng xóm thì dẫn đến vấn

đề gây bảo gói tin quảng bá

Thuật toán phát tràn có kiểm soát được chia thành hai thuật toán định tuyến chính là phát tràn có kiểm soát số tuần tự - Sequence Number Controlled Flooding (SNCF) và phát tràn đường đi ngược - Reverse Path Flooding (RPF) Trong SNCF, mỗi nút sẽ gửi kèm theo địa chỉ của chính nó và số thứ tự vào gói tin Mỗi nút đều có một bộ nhớ và lưu số thứ tự Nếu một nút nào đó nhận được gói tin có số thứ tự và địa chỉ tồn tại trong bộ nhớ, nó sẽ bị loại bỏ tức thì Trong khi đó RPF thì mỗi nút sẽ gửi duy nhất gói tin chuyển tiếp Nếu nó nhận được gói tin từ nút tiếp theo phản hồi về, nó sẽ gửi lại thông tin cho nút chuyển tiếp trước đó

Tất cả các giao thức sử dụng chiến lược phát tràn đều có thuật toán làm việc tương đối giống nhau với đặc điểm:

- Mỗi nút hoạt động như một thiết bị phát và thiết bị thu

- Mỗi nút sẽ cố gắng gửi tất cả các gói tin tới các nút hàng xóm ngoại trừ nút chuyển tiếp trước đó

Kết quả nhận được là tin nhắn cuối cùng sẽ tìm ra đường đi của gói tin trong mạng Thuật toán có thể cần nhiều yêu cầu phức tạp hơn nhiều, trong một

số trường hợp, sẽ kiểm tra các gói tin nhận được của các nút để tránh sự trùng lặp và gói tin gửi đi vô hạn trong mạng Một vài giao thức cải tiến của thuật toán phát tràn gọi là phát tràn có chọn lọc nhằm giải quyết vấn đề chỉ gửi gói tin đến những nút có cùng hướng với nút đích Trong thuật toán phát tràn có chọn lọc các bộ định tuyến không gửi gói tin đến tất cả các nút mà chỉ những nút có cùng hướng với nút đích [6]

Lợi ích của thuật toán

Khi gửi một gói tin qua mạng, gói tin sẽ tìm kiếm tất cả các đường đi tới đích để chọn được đường đi ngắn nhất Đây là thuật toán đơn giản, dễ triển khai, cài đặt

Hạn chế

- Phát tràn có thể sẽ gây tốn kém về băng thông Trong khi một tin nhắn chỉ có một điểm đến, nó phải gửi đi tất cả các nút khác trong mạng Trong trường hợp này sẽ gây ra quá tải về băng thông và dễ bị tấn công

từ chối dịch vụ

- Gói tin có thể được sao chép và tiếp tục được tải lên mạng và đòi hỏi thuật toán phải xử lý phức tạp để loại bỏ những gói tin này

- Các gói tin trùng lặp có thể lưu trữ mãi mãi Trừ khi các biện pháp phòng ngừa không được thực hiện

1.3 Giao thức định tuyến “Greedy Perimeter Stateless Routing”

1.3.1 Tổng quan

Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) là một thuật toán định tuyến

cổ điển cho mạng chuyển mạch gói không dây GPSR dùng thông tin vị trí địa lý của các thiết bị chuyển tiếp (Router) và thông tin vị trí của nút đích để quyết định đường đi tiếp theo cho gói tin GPSR chuyển tiếp gói tin sử dụng thuật toán tham lam Thuật toán tham lam dùng duy nhất thông tin vị trí địa lý của các thiết

bị trong hệ thống mạng để chuyển tiếp và thông tin vị trí địa lý của hàng xóm hiện thời trong cấu trúc mạng, khi thuật toán tham lam không tìm thấy một nút mạng tiếp theo của đường đi gói tin tới đích thì định tuyến gói tin trên mặt phẳng được áp dụng để chuyển tiếp gói tin và phục hồi lại đường đi (chiến lược phục hồi) Chiến lược phục hồi chuyển tiếp gói tin xung quanh mặt phẳng tạo bởi các vùng trống trong hệ thống mạng, khi các điều kiện áp dụng thuật toán tham lam được phục hồi thì GPSR sẽ áp dụng thuật toán tham lam thay vì định tuyến đồ thị phẳng GPSR lưu giữ lại duy nhất thông tin cục bộ vị trí của các nút mạng nên GPSR sẽ được mở rộng tốt hơn nếu quy mô mạng tăng hơn các thuật toán short-path và ad-hoc routing theo tài liệu [3]

Trong hệ thống mạng gồm toàn bộ các trạm không dây, giao tiếp qua lại giữa những nút đích và nút nguồn có thể phải qua rất nhiều nút trung gian Trong cộng đồng các nhà nghiên cứu, nhiều thuật toán định tuyến cho mạng không dây đã được đề xuất, thực hiện và kiểm chứng Sự thay đổi cấu trúc mạng trong mạng không dây là lớn hơn đối với mạng có dây Trên hệ thống mạng có dây, việc sử dụng các thuật toán định tuyến Distance Vector (DV) [1] và Link state (LS) [6] là rất hiệu quả và được phát triển từ rất sớm, tuy nhiên một thuật toán định tuyến luôn luôn phụ thuộc vào các yếu tố như:

- Tốc độ thay đổi của cấu trúc mạng

- Số lượng các nút mạng trong hệ thống

Cả hai yếu tố này sẽ làm cho thuật toán DV và LS trở nên phức tạp nếu như áp dụng trong mạng không dây có tốc độ thay đổi cấu trúc lớn và số lượng

các nút mạng nhiều Vì vậy, một thuật toán định tuyến đã được đề xuất từ rất sớm cho mạng không dây đó là: “Greedy Perimete Stateless Routing (GPSR)” GPSR mục đích mở rộng số lượng các nút mạng và tăng tốc độ thay đổi cấu trúc mạng Những yếu tố được sử dụng để đánh giá cho giao thức định tuyến là:

- Chi phí giao thức gửi thông điệp: làm thế nào để các gói tin được gửi đi

là nhiều nhất

- Tỷ lệ gói tin được gửi thành công: các gói tin gửi và chuyển thành công tới đích như thế nào?

- Trạng thái của nút: mỗi nút sẽ lưu trữ dữ liệu thế nào

1.3.2 Thuật toán định tuyến GPSR

Trong giao thức định tuyến GPSR, các gói tin được chuyển tiếp dựa trên sự kết hợp của hai phương thức chuyển tiếp là: Chuyển tiếp tham lam – Greedy forwarding và chuyển tiếp xung quanh vùng trống (Perimeter forwarding)

1.3.2.1 Chuyển tiếp tham lam trong GPSR

Hình 1-3 Chuyển tiếp tham lam trong GPSR 3

Các gói tin trong mạng được gán các thông tin về vị trí địa lý của nút nguồn và nút đích Mỗi một nút trong mạng sẽ biết được thông tin về vị trí của các nút hàng xóm với nó Một nút thực hiện chuyển tiếp sẽ tính toán lựa chọn một trong số các nút hàng xóm của nó ngần với nút đích nhất dựa theo thông tin

về vị trí nút đích và nút nguồn gán trong gói tin nó nhận được Các bước chuyển tiếp sẽ được thực hiện lặp lại tại mỗi nút khi nhận được gói tin cho tới khi gói tin được gửi tới nút đích

3 Nguồn: tài liệu [3]

Ví dụ chuyển tiếp tham lam trong Hình 1-3, khi nút x nhận được một gói

tin gửi đến nút đích D, x xem xét các nút trong phạm vi phủ sóng tín hiệu của

nó Nút x sẽ gửi gói tin tới nút y vì trong phạm vi phủ sóng của nút x không có nút khác ngoài nút y có khoảng cách gần với nút D nhất Quá trình chuyển tiếp tham lam này sẽ được lặp lại cho tới khi gói tin đến được nút D

Hình 1-4 Vấn đề vùng trống trong GPSR4

Nếu giữa nút D và nút x không tồn tại một nút trung gian nào có khoảng cách gần với đích nhất hơn chính nút x và là hàng xóm của nút x, thì vấn đề

vùng trống xảy ra Trong Hình 1-4, có 2 trường hợp gói tin được chuyển tới nút

D như sau: x->y->z->D hoặc x->w->v->D Tuy nhiên thuật toán chuyển tiếp tham lam sẽ không sử dụng cho hai trường hợp này

1.3.2.2 Chuyển tiếp vùng biên (Perimeter Forwarding)

Trong giao thức định tuyến GPSR, khi một nút không tìm thấy các nút hàng xóm thỏa mãn điều kiện chỉ ra trong lựa chọn tham lam thì chiến lược định tuyến dựa trên đồ thị phẳng và quy tắc bàn tay phải được áp dụng [3] Việc kết hợp chuyển tiếp tham lam và chuyển tiếp vùng biên trong giao thức định tuyến GPSR giúp cải thiện hiệu suất định tuyến gói tin

4 Nguồn: tài liệu [3]

Hình 1-5 Quy tắc bàn tay phải 5

Hình 1-5, quy tắc bàn tay phải được áp dụng để gửi gói tin qua một mặt phẳng được tạo bởi các nút mạng xung quanh vùng trống Khi gói tin được gửi qua các nút y, x, z, qua mỗi nút gói tin sẽ được gửi đi theo cạnh bên phải của hình đa giác tạo bởi các nút Thứ tự gói tin sẽ đi qua mặt phẳng đa giác (Hình 1-5) là y -> x -> z -> y

5 Nguồn: tài liệu [3]

Chương 2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN “DETOUR

ROUTING BASED ON QUADRANT CLASSIFICATION” 2.1 Tổng quan

Những vùng trống trong các cấu trúc mạng không dây như sông, hồ, rừng, núi, … luôn dẫn đến hiệu suất định tuyến gói tin không hiệu quả Vấn đề vùng trống trong cấu trúc mạng không dây luôn là thách thức đối với các giao thức định tuyến không dây Để cải thiện hiệu suất trong các trường hợp này, thuật toán định tuyến sử dụng thông tin vị trí địa lý áp dụng phương pháp tìm kiếm tham lam để tìm kiếm thông tin về đường đi tới nút đích mà không phải lưu trữ

và bảo trì thông tin bảng định tuyến Tuy nhiên, thuật toán tham lam định tuyến gói tin không thành công hoặc hiệu suất thấp nếu gặp các vấn đề về vùng trống (void area) Trong phần này tôi sẽ trình bày và phân tích thuật toán định tuyến dựa trên phân chia góc phân tư “Detour Routing based on Quadrant Classification (DRQC)” đã được tác giả trong tài liệu [8] đề xuất để giảm thiểu xảy ra vấn đề vùng trống bằng cách ngăn chặn gửi gói tin đi, đến các vùng trống trong cấu trúc mạng Ý tưởng cơ bản của thuật toán là, mỗi nút sẽ biết được thông tin vị trí địa lý của chính nó và thông tin vị trí của các nút hàng xóm cấp 1 (1-hop neighbors) và hàng xóm cấp 2 (2-hop neighbors) Các nút cũng sẽ xác định trạng thái của nó là nút đỏ hoặc nút trắng Một nút là nút đỏ nếu nó không

có vấn đề vùng trống, ngược lại một nút là nút trắng nếu có khả năng xảy ra vấn

đề vùng trống Trong quá trình xử lý định tuyến DRQC yêu cầu mỗi nút phải chọn một hàng xóm cấp 2 là nút đỏ và có khoảng cách tới nút đích là ngắn nhất Nếu không có nút nào thỏa mãn điều kiện trên thì thuật toán tham lam tìm kiếm với hàng xóm cấp 2 được áp dụng

Vì các kiến trúc mạng không dây luôn thay đổi nên một chiến lược đơn giản cho định tuyến trong mạng Wireless Sensor Network là chiến lược phát tràn (flooding) giúp cho việc tìm kiếm đường đi của gói tin hiệu quả Tuy nhiên, phương thức này không thực sự hiệu quả trong các kiến trúc mạng quan tâm tới năng lượng và băng thông đường truyền, bởi vì có rất nhiều các nút mạng phải thực hiện chuyển tiếp gói tin quảng bá và các nút cũng phải xử lý rất nhiều gói tin được gửi tới mà không thật sự cần thiết

Có những giao thức định tuyến khác sử dụng thuật toán tham lam để định tuyến, những thuật toán này hiệu quả hơn so với các thuật thoán phát tràn [8] Thông thường thuật toán tham lam mỗi một nút yêu cầu giao tiếp duy nhất với

hàng xóm cấp 1 của chính nó Một hàng xóm cấp 1 có khoảng cách gần với đích nhất sẽ được chọn là nút chuyển tiếp (next hop) để chuyển tiếp gói tin Thuật toán tham lam được đề xuất rất hiệu quả kể cả trong các mạng thường xuyên thay đổi Tuy nhiên thuật toán có thể định tuyến không thành công khi gặp các vấn đề về rào cản tự nhiên (sông, hồ, núi, đồi…) [8], khi đó một nút không thể tìm được nút chuyển tiếp tiếp theo bởi vì không có hàng xóm nào của nó gần với nút đích hơn chính nó

2.2 Chuyển tiếp tham lam và vấn đề vùng trống trong DRQC

2.2.1 Chiến lược chuyển tiếp tham lam

Với chiến lược định tuyến tham lam, một nút sẽ xử lý các thông tin vị trí một cách tối ưu để quyết định chọn nút tiếp theo cho chuyển tiếp gói tin Để thực hiện điều đó, một nút phải biết được vị trí của hàng xóm của chính nó để chọn nút hàng xóm có khoảng cách địa lý gần nhất với nút đích Có hai phương pháp để tối ưu bằng chiến lược tham lam là: Chiến lược định tuyến tham lam với hàng xóm cấp 1 (1- hop greedy) và chiến lược tham lam với hàng xóm cấp 2 (2- hop greedy) Sự khác biệt chính giữa hai chiến lược này là một nút chọn nút tiếp theo của chuyển tiếp bằng cách xem xét mỗi hàng xóm cấp 1 hoặc là hàng xóm cấp 2

Hình 2-1 Định tuyến gói tin theo chiến lược tham lam 6 Hình 2-1 minh họa về chiến lược định tuyến tham lam theo hàng xóm cấp

1 Nút nguồn A muốn gửi gói tin tới nút đích J Nút A sẽ xem xét các hàng xóm cấp 1 liền kề với chính nó là {B;E} khi đó B sẽ được chọn là nút chuyển tiếp bởi

vì khoảng cách từ B đến J sẽ ngắn nhất Khi nút B nhận được gói tin, nút B cũng

sẽ thực hiện việc việc lựa chọn nút C là nút chuyển tiếp trong danh sách hàng

6 Nguồn: tài liệu [8]

xóm cấp 1 của chính nút B Các bước lựa chọn nút chuyển tiếp sẽ lặp lại cho đến khi gói tin đến được nút đích J

Hình 2-1 minh họa về chiến lược chuyển tiếp gói tin tham lam theo hàng

xóm cấp 2 Nút nguồn A gửi gói tin đến nút đích J Tại nút A sẽ xem xét các nút hàng xóm cấp 2 của chính nó là {C;G;H} khi đó nút C sẽ được chọn như là nút chuyển tiếp gói tin vì nút C có khoảng cách gần nhất tới nút đích so với các nút

G và H Thuật toán sẽ tiếp tục thực hiện cho tới khi gói tin được gửi tới nút đich

2.2.2 Vấn đề vùng trống trong giao thức DRQC

Có nhiều giao thức định tuyến địa lý dùng chiến lược tham lam để chuyển tiếp gói tin tới đích, các giao thức chọn nút chuyển tiếp thuộc hàng xóm của nút gửi sao cho nút hàng xóm là nút có khoảng cách ngắn nhất tới nút đích chúng được gọi là các nút tiếp theo (Next hop) Tuy nhiên rào cản trong các địa hình tự nhiên thường dẫn đến chiến lược tham lam sẽ bị lỗi khi tìm kiếm đường đi bởi vì các rào cản tồn tại trong địa hình tự nhiên, khi đó nhiều nút có thể không thể tìm thấy các nút hàng xóm gần với nút đích hơn chính nút đó Vấn đề này được gọi

là vùng tối thiểu - local minima (vùng trống) Khi vấn đề local minima xảy ra trong quá trình chuyển tiếp một gói tin, có nhiều giao thức định tuyến đã xóa gói tin tuy nhiên vẫn có khả năng tìm thấy đường đi tới đích

Hình 2-2 Vùng trống trong giao thức DRQC 7 Hình 2-2, nút nguồn A gửi gói tin đến nút đích J, khi gói tin được gửi tới

nút tiếp theo là D Tại nút D các chiến lược tìm kiếm tham lam sẽ so sánh khoảng cách các nút hành xóm của D với chính nút D Trong trường hợp này sẽ không có nút hàng xóm nào thỏa mãn là hàng xóm của D và có khoảng cách gần nhất với nút đích khác D Chính vì vậy gói tin gửi tới D sẽ bị xóa, điều đó dẫn đến việc gửi gói tin từ A đến J sẽ không thực hiện thành công đối với các chiến

7 Nguồn: tài liệu [8]

lược tham lam Để giải quyết vấn đề này, các thuật toán định tuyến đã kết hợp nhiều chiến lược tìm kiếm để có thể gửi gói tin đến nút đích bằng nhiều cách

2.3 Thuật toán định tuyến trong giao thức DRQC

Để giao thức định tuyến DRQC có thể thực hiện được thì phải đảm bảo yêu cầu:

- Mỗi nút yêu cầu phải có thông tin về vị trí của nó từ các hệ thống định

vị vị trí và quảng bá vị trí của nó tới các nút hàng xóm cấp liền kề với

nó

- Các nút trong mạng đều cùng dãi giao tiếp

- Các rào cản trong mạng là cố định (theo rào cản tự nhiên là có định)

2.3.1 Khái niệm, định nghĩa

Thuật toán định tuyến trong giao thức DRQC định nghĩa một số khái niệm

lựa chọn nút tiếp theo được gọi là Prober Nút {X, Z} là nút chuyển tiếp (Forwarder)

2.3.2 Trạng thái của các nút

Trong giao thức DRQC định nghĩa mỗi nút có thể mang một trong hai trạng thái là nút đỏ hoặc nút trắng như sau:

- Nút đỏ: Một nút được gọi là nút đỏ nếu có ít nhất một nút hàng xóm cấp

2 tồn tại trong mỗi một góc ¼

- Nút trắng: một nút được gọi là nút trắng nếu không có một nút hàng xóm

2.3.3 Định dạng thông điệp gửi

Để gửi và nhận các gói thông tin về vị trí địa lý cũng như các gói thông tin

dữ liệu, trong giao thức DRQC đã định nghĩa một số kiểu thông điệp gồm thông

tin quảng bá - Hello message dùng để gửi và nhận các gói thông tin quảng bá thông tin của các nút, Thông tin gói dữ liệu - Data packet message dùng để gửi gói dữ liệu, Thông tin phản hồi - Detour message dùng để gửi phản hồi về cho

nút chuyển tiếp phía trước khi không tìm thấy các nút chuyển tiếp tiếp theo thỏa mãn điều kiện

- Hello message: Mỗi nút gán tọa độ và trạng thái của nút hàng xóm cấp 1

và nút hàng xóm cấp 2 của nó cũng như chính nó vào Message Hello, và

quảng bá thông tin đó đi cho các nút khác “ĐỊNH KỲ” Bảng 2-1 minh

họa định dạng của thông điệp quảng bá (Hello message):

Bảng 2-1: Định dạng thông điệp quảng bá

o Trường 2 (Neighbor_Coordinate/States) là tọa độ, trạng thái của nút hàng xóm 1 và hàng xóm 2

- Data packet message: Một nút nguồn giao tiếp với nút đích bằng cách

gửi đi một gói dữ liệu có định dạng như Bảng 2-2 bao gồm các thông tin:

Bảng 2-2: Định dạng thông điệp dữ liệu

Source Destination Prober Forwarder Data

o Thông tin của nút gửi (Source)

o Thông tin nút đích (Destination)

o Thông tin nút prober

o Thông tin nút forward

o Thông tin của dữ liệu (Data)

- Detour message: khi một nút không tìm thấy một nút chuyển tiếp nút đó

sẽ sinh ra một thông điệp phản hồi (DETOUR message) yêu cầu nút forwarder phía trước của gói tin thực hiện lại việc chọn một nút

forwarder DETOUR message được chỉ thấy trong Bảng 2-3 gồm các

thông tin:

Bảng 2-3: Định dạng thông điệp phản hồi

Source Destination Blocker Previous_Forwarder Filter Data

o Thông tin nút đích, nút nguồn (Source, Destination)

o Thông tin nút sinh ra gói tin Detour message (Blocker)

o Thông tin về nút đã gửi gói tin phía trước (Previous_Forwarder)

o Thông tin về hàng xóm cấp 1, 2 của nút sinh ra gói tin Detour (Filter)

o Thông tin dữ liệu đã gửi (Data)

2.3.4 Cấu trúc dữ liệu

Để lưu trữ dữ liệu trong quá trình thực hiện xử lý tính toán, giao thức DRQC đã định nghĩa một số kiểu cấu trúc dữ liệu gồm: bảng thông tin định tuyến (Routing table) và bảng thông tin hàng xóm (Neighbor table)

- Bảng định tuyến (Routing table): mỗi một nút sẽ cập nhật và duy trì một bảng định tuyến để lưu trữ những thông tin về các nút chuyển tiếp có

được trong quá trình định tuyến Trong cấu trúc dữ liệu (Bảng 2-4) định

tuyến gồm có các phần:

Bảng 2-4: Định dạng cấu trúc bảng định tuyến

Destination Next_Forwarder Candidates

o Thông tin về nút đích (Destination)

o Thông tin về nút chuyển tiếp (Next_Forwarder)

o Thông tin về hàng xóm cấp 2 của nút có thể được lựa chọn

để gửi thông tin tới nút đích (Candidates)

- Bảng hàng xóm (Neighbor table): Mỗi một nút sẽ duy trì và cập nhật một bảng thông tin về các nút hàng xóm cấp 1 và các nút hàng xóm cấp 2 (

Bảng 2-5) cũng như thông tin về các góc phần tư chứa các nút hàng xóm

2.3.5 Thuật toán xử lý định tuyến DRQC

Luồng xử lý định tuyến trong DRQC gồm 2 phần:

(1): Khi một nút nhận một gói dữ liệu

(2): Khi một nút nhận gói DETOUR message

Khi một nút v trong mạng nhận một gói dữ liệu được gửi từ nút vs, trong đó chứa thông tin về nút nhận dữ liệu là vd Nút chuyển tiếp phía trước là vp, nút v

sẽ biết rằng có một đường định tuyến từ vs qua vp để đến nút v Nút v sẽ giữ lại thông tin định tuyến đến chính nó vào trong bảng định tuyến Sau đó nút v sẽ tìm kiếm trong các hàng xóm trong bảng hàng xóm (Neighbors table) hoặc trong bảng định tuyến (Routing table) để định tuyến một đường đi tới đích Nếu một định tuyến đựơc tìm thấy thì nó sẽ chuyển tiếp gói tin tới nút chuyển tiếp tiếp theo

Nếu nút v không tìm thấy một hàng xóm cấp 1 có thông tin là nút đích thì nút v sẽ chọn một hàng xóm cấp 2 có tiêu chí là nút đỏ và cùng góc phần tư với nút đích Nếu có nhiều hơn một lựa chọn thì nút v sẽ chọn một nút nào đó có khoảng cách ngắn nhất đến đích Tiêu chí lựa chọn thứ 2 được áp dụng nếu các điều kiện phía trước không xảy ra Nút v sẽ lựa chọn một hàng xóm cấp 2 có trạng thái là nút trắng và có cùng góc với nút đích Nếu có nhiều hơn một lựa chọn thì v sẽ chọn nút có khoảng cách ngắn nhất tới nút đích Tiêu chí lựa chọn cuối cùng là chọn một nút hàng xóm cấp 2 có khoảng cách ngắn nhất tới nút

đích hơn chính nút v Quá trình xử lý tìm nút chuyển tiếp được miêu tả trong [8]

Hình 2-5

Trường hợp xấu nhất là nút v không tìm thấy một nút chuyển tiếp nào tới nút đích từ chính những hàng xóm cấp 2 của nó Trong trường hợp này nút v sẽ chặn gói tin và nó sẽ sinh ra một thông điệp phản hồi không tìm thấy đường đi (DETOUR message) và gửi nó tới nút chuyển tiếp phía trước nút v Khi một nút

v nhận đựơc DETOUR massage cùng mới nội dung chứa thông tin về Detour_vs

là nút gửi và Detour_vd là nút nhận thì quá trình xử lý thông điệp tại nút chuyển

tiếp phía trước [8] như hình 2-6

Hình 2-5 Các bước xử lý tìm kiếm đường đi

Hình 2-6 Các bước xử lý gói tin phản hồi

Chương 3 GIAO THỨC “DETOUR ROUTING BASED ON

COORDINATES ROTATION”

3.1 Hạn chế của giao thức định tuyến DRQC

Khi một nút xác định đường đi của gói tin tới nút đích thì nó sẽ xem xét các nút hàng xóm thuộc cùng góc phần tư với nút đích Dựa theo điều kiện góc phần

tư này mà quá trình tìm kiếm đường đi của một gói tin sẽ giảm được chi phí băng thông và thời gian tìm kiếm Tuy nhiên, trong quá trình tìm hiểu về thuật toán DRQC, tôi đã nhận thấy rằng, trong trường hợp các nút nằm gần kề với nút đích nhưng không nằm cùng góc với nút đích thì vấn đề xác định góc theo thuật toán sẽ có thể dẫn tới việc tìm kiếm đường đi không tối ưu hoặc không thành công

Hình 3-1 Ví dụ định tuyến DRQC không tối ưu

Ví dụ (Hình 3-1), Khi nút nguồn S gửi gói tin tới nút đích D Theo

DRQC, nút S sẽ chọn các nút thuộc góc phần tư với nút D, vì vậy S sẽ chọn nút {3} là nút kế tiếp trong đường đi gói tin từ S tới D Tiếp tục như vậy giao thức DRQC sẽ lần lượt chọn các nút {4, 5} trong quá trình định tuyến Đường đi của gói tin theo DRQC sẽ là S -> 3 -> 4 -> 5 -> D Tuy nhiên ta nhận thấy rằng nếu nút S lựa chọn đường đi S -> 1 -> 2 -> D thì chi phí gửi gói tin sẽ hiệu quả hơn

3.1.1 Nút tối ưu không thuộc góc với nút đích

Trong luận văn tôi định nghĩa một khái niệm gọi là “Nút tối ưu không thuộc góc phần tư nút đích” Đây là những nút mạng tối ưu trong quá trình định tuyến nhưng không thuộc góc phần tư với nút đích khi nằm trong một hệ trục toạ

độ (Hình 3-2, Hình 3-3)

Hình 3-2 Nút tối ưu nằm trên trục tọa độ Trường hợp 1: nút nguồn là nút 1 (Hình 3-2):

- Các nút {2, 3, 4} nằm trên trục hoành của trục toạ độ nút 1

- Các nút {8, 15} nằm trên trục tung của trục toạ độ nút 1

Các nút {2,3,4,8,15} gọi là các nút biên của nút 1 Vì mỗi nút chỉ có thể nằm trong một góc phần tư duy nhất nên ta có, nếu nút {2,3,4} nằm ở góc phần

tư thứ nhất của nút 1 thì nút {5, 8} nằm ở góc phần tư thứ tư Khi đó nút nguồn

1 muốn gửi gói tin đến nút đích nút 19 thì theo thuật toán DRQC phải đi qua các nút {2, 9, 16, 15} Tuy nhiên chúng ta nhận thấy nếu gói tin từ nút 1 đi qua nút

8, nút 15 thì chi phí định tuyến sẽ giảm đi rất nhiều

Hình 3-3 Nút tối ưu không thuộc góc phần tư nút đích

Trường hợp 2: nút nguồn là nút S (hình 3-3)

- Các nút {3, 4, 5} thuộc góc phần tư thứ nhất cùng với nút đích D

- Các nút {1,2} thuộc góc phần tư thứ 2 không cùng góc với nút đích Theo giao thức DRQC nếu gói tin gửi từ nút S tới nút D thì sẽ đi qua các nút S – 3 – 4 – 5 – D Tuy nhiên chúng ta sẽ thấy nếu gói tin đi qua các nút S – 1 – 2 – D thì chi phí định tuyến gói tin sẽ giảm đi rất nhiều Các nút {1, 2} là những nút tối ưu không thuộc cùng góc phần tư với nút đích

3.1.2 Ví dụ định tuyến không tối ưu theo DRQC

Hình 3-4 minh họa một hệ thống mạng gồm có 56 nút, thực hiện việc gửi

gói tin từ nút số 9 đến nút số 45

Hình 3-4 Ví dụ định tuyến không hiệu quả Trong ví dụ hình 3-4, các nút {10,11,12,13,14} thuộc trục hoành (ox) có

gốc tọa độ nút số 9, các nút {16,23,30,37} thuộc trục tung (oy) có gốc là nút số

9 Ví dụ nút đích nút số 45, nút 45 sẽ có vị trí gần với trục oy Theo thuật toán DRQC, tại nút nguồn nút số 9, sẽ lựa chọn nút số 17 là nút hàng xóm cấp 2 và

có góc cùng với nút đích Tuy nhiên nút 23 cũng là nút hàng xóm cấp 2 và có khoảng cách tới đích gần hơn so với nút số 17 Lý do DRQC không lựa chọn nút

số 23 là vì nút 23 không thuộc góc phần tư với nút đích, điều này đã dẫn đến hiệu suất định tuyến không hiệu quả khi xảy ra các trường hợp tương tự như ví

dụ Hình 3-4