Đánh giá hiệu năng định tuyến đa phát dựa trên duy trì một cách tối ưu cây khung trong mạng tự hợp di động

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮTMANET Mobile adhoc network Mạng tự hợp di động NS-2 Network Simulator 2 Bộ công cụ giả lập mạng phiên bản 2 NAM Network Animator Công cụ hình hóa mô p

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ THU HẰNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN ĐA

PHÁT DỰA TRÊN DUY TRÌ MỘT CÁCH TỐI ƯU CÂY KHUNG TRONG MẠNG TỰ HỢP DI ĐỘNG

Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ THU HẰNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ĐỊNH TUYẾN ĐA

PHÁT DỰA TRÊN DUY TRÌ MỘT CÁCH TỐI ƯU CÂY KHUNG TRONG MẠNG TỰ HỢP DI ĐỘNG

Ngành : Công nghệ thông tin

Chuyên ngành : Truyền dữ liệu và mạng máy tinh

Mã số 60.48.15

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học : TS Nguyễn Đại Thọ

Hà Nội

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 10

1.1 Giới thiệu về mạng MANET 10

1.2 Các đặc điểm của mạng MANET 14

1.3 Phân loại 15

1.3.1 Phân loại mạng MANET theo giao thức 15

1.3.2 Phân loại mạng MANET theo chức năng của nút 16

1.4 Định tuyến trong mạng MANET 17

1.4.1 Vấn đề định tuyến trong mạng MANET 17

1.4.2 Phân loại các giao thức định tuyến 18

1.5 Đa phát trong mạng MANET 19

1.5.1 Giới thiệu 20

1.5.2 Giao thức đa phát trong mạng MANET 20

1.6 Kết luận 27

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN XÂY DỰNG VÀ BẢO TRÌ TỐI ƯU CÂY KHUNG ĐA PHÁT TRONG MẠNG MANET 28

2.1 Giới thiệu 28

2.2 Tư tưởng chung thuật toán 28

2.2.1 Giải thuật bảo trì cây khung trong mạng tĩnh 28

2.2.2 Giải thuật bảo trì cây khung trong mạng động (OMST) 30

2.3 Xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung đa phát trong mạng MANET 33 2.3.1 Đặt vấn đề 33

2.3.2 Tư tưởng của giải thuật 33

2.3.3 Một số thủ tục trong giải thuật 35

2.4 Kết luận 36

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET 37

3.1 Công cụ mô phỏng và phân tích kết quả 37

3.1.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình mô phỏng NS2 37

3.1.2 Công cụ hỗ trợ phân tích kết quả mô phỏng 38

3.2 Khắc phục một số lỗi trong quá trình cài đặt mô phỏng 39

3.3 Giới thiệu hướng nghiên cứu mới: Dự đoán trạng thái liên kết 40

3.4 Thực nghiệm mô phỏng 44

3.4.1 Giới thiệu 44

3.4.2 Một số độ đo đánh giá hiệu năng 44

3.4.3 Các thông số mô phỏng 45

3.4.4 Kết quả đánh giá và nhận xét 47

3.5 Kết luận 53

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MANET Mobile adhoc network Mạng tự hợp di động

NS-2 Network Simulator 2 Bộ công cụ giả lập mạng phiên

bản 2 NAM Network Animator Công cụ hình hóa mô phỏng

mạng

IP Internet Protocol Giao thức định tuyến cho mạng

Internet HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền văn bản siêu

liên kết SMTP Simple Mail Transfer

Protocol

Giao thức gửi mail đơn giản

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file

ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

MZRP Multicast Zone Routing

AMRIS Ad hoc Multicast Routing

protocol utilizing Increasing id-numberS

Giao thức định tuyến đa phát bằng các sử dụng chỉ số ID tăng dần

ODMRP On-Demand Multicast

RREQ Route Request Yêu cầu định tuyến

MST Minimum Spanning Tree Cây khung nhỏ nhất

OMST Optimal Maintenance of

Spanning Tree

Bảo trì tối ƣu cây khung

PDR Packet Delivery Ratio Tỉ lệ truyền thành công

STM Spanning Tree for Multicast Cây khung đa phát

PUMA Protocol for Unified

Multicasting through Annoucements

Giao thức cho đa phát hợp nhất dựa vào các bản tin thông báo

ROMANT Robust Multicasting in

Adhoc Networks using Trees

Đa phát hiệu quả trong mạng tự hợp sử dụng cây

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Topo Mạng Manet 10

Hình 1.2: Mô hình ứng dụng mạng Manet trong lĩnh vực quân sự 13

Hình 1.3: Mô hình ứng dụng mạng Manet trong mạng cục bộ 13

Hình 1.4: Ứng dụng Manet trong mạng cá nhân (PAN) 14

Hình 1.5: Mô hình định tuyến Singal-hop 15

Hình 1.6: Mô hình định tuyến Multi-hop 15

Hình 1.7: Mạng Manet phân cấp 16

Hình 1.8: Mạng MANET kết hợp 17

Hình 1.9: Phân loại các giao thức trong mạng Manet 18

Hình 1.10: Phân loại các giao thức định tuyến đa phát 21

Hình 1.11 Cấu trúc cây đa phát của DVMRP 22

Hình 1.12: Hoạt động giao thức MAODV 23

Hình 1.13: Giao thức ODMRP 25

Hình 1.14: Khởi tạo lưới trong mạng bằng giao thức PUMA 26

Hình 1.15 Cây đa phát ảo 27

Hình 3.1 Kiếm trúc NS-2 37

Hình 3.2: Minh họa cho mô hình dự đoán 41

Hình 3.3: Sự di chuyển của node B trong quan sát của node A 43

Hình 3.4: Các tham số mô phỏng 46

Hình 3.5 :Cây khung sau khi kết thúc mô phỏng giao thức STM 46

Hình 3.6: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ thông lượng trung bình theo thời gian 47

Hình 3.7: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ thông lượng trung bình theo số nút phát 48

Hình 3.8: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ thông lượng trung bình theo tốc độ nút 48

Hình 3.9: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ thông lượng trung bình theo số nút tham gia 49

Hình 3.10: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ truyền phát thành công theo thời gian 49

Hình 3.11: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ truyền phát thành công theo tốc độ nút 50

Hình 3.12: Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ truyền phát thành công theo số nút phát 50

Hình 3.13: Biểu đồ biểu diễn độ trễ theo thời gian, số nút phát, số nút tham gia 51

Hình 3.14: Biểu đồ biểu diễn độ trễ theo tốc độ nút 52

Hình 3.15 Biểu đồ tỷ lệ phụ tải theo thời gian 52

Hình 3.16 Biểu đồ tỷ lệ phụ tải theo số nút tham gia 53

MỞ ĐẦU

Mạng di động không dây đặc biệt gọi là mạng tự hợp di động (MANET - Mobile Wireless Adhoc Network) là mạng động tạm thời được thiết lập bằng một tập hợp các nút mạng không dây di động tự trị mà không cần bất kì sự hỗ trợ về cơ sở hạ tầng mạng cố định cũng như hỗ trợ về quản lí tập trung Cho phép các máy tính di động thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạ tầng mạng có dây Trong MANET mọi nút mạng đều có thể thực hiện chức năng của một bộ định tuyến, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận Định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng

Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa như: hỏa hoạn, lụt lội, động đất hay những nơi yêu cầu tính nhanh chóng, tạm thời như trong các trận chiến, do thám… Do bản chất truyền đa hướng của sóng không dây, một nút mạng có thể chia sẻ dữ liệu cho rất nhiều nút lân cận cùng lúc Tính chất này làm cho các ứng dụng chia sẻ dữ liệu và truyền thông kiểu phát tỏa (broadcast) và đa phát (multicast) được quan tâm nghiên cứu và phát triển nhiều hơn Trong đó, truyền thông đa phát có cách thức thực thi khó khăn và tốn chi phí nhiều hơn so với phát tràn, do phải có cơ chế điều khiển để không truyền dữ liệu tràn lan gây lãng phí băng thông mạng, mà chỉ truyền cho một số thành viên thuộc cùng nhóm truyền thông

Vì thế, nghiên cứu về đa phát và các giao thức định tuyến đa phát trong mạng MANET là một trong những hướng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm Có nhiều các ý tưởng, giao thức và cách thức tiếp cận khác nhau được đưa ra, trong đó hướng đang được quan tâm nhiều là vấn về định tuyến theo nguyên tắc xây dựng cây khung và tốt nhất các cây khung có trong số tối thiểu Một số giải thuật đưa ra về thuật toán phân tán cho cây khung có trọng số tối thiểu như trong mạng tĩnh áp dụng giải thuật GHS-83[2,4], nhưng không thể áp dụng giải thuật này vào mạng động vì hình trạng mạng thay đổi liên tục nên việc cập nhật thông tin định tuyến và xây dựng cây khung kém hiệu quả Đối với giao thức đa phát trong mạng MANET, luận văn trước [2] đã đưa ra được đưa ra giải thuật và xây dựng được thuật toán về xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung

đa phát trong mạng MANET, giải thuật đã được cài đặt và đánh giá nhưng mô phỏng còn đơn giản với số lượng nút nhỏ Trong luận văn này, thực hiện giải

thuật sẽ được cải tiến với mô phỏng có số lượng nút lớn hơn, tạo hình trạng mạng động đánh để mô phỏng sát với thực tế hơn và đưa ra đánh giá kết quả

Mục tiêu nghiên cứu

Hiện này đã có nhiều phương pháp định tuyến trong mạng, trong đó phương pháp đang được quan tâm là dựa trên lý thuyết đồ thị để duy trì và bảo toàn hình trạng mạng nhằm đảm bảo sự truyền thông được liên tục và bảo đảm chất lượng dịch vụ, trong đó xem xét mạng MANET là một đồ thị có trọng số vô hướng và mạng truyền dữ liệu là một cây nối tất cả các nút trong đồ thị và ứng dụng định tuyến đa phát vào xây dựng cây khung, sao cho một nút gửi vào một nhóm nút nhận để hạn chế việc truyền những thông báo tới các nút không cần thiết thay vì phương thức truyền broadcast là một nút truyền tất cả các nút trong mạng đều nhận được Ứng dụng đa phát sẽ giúp hiệu năng mạng tốt hơn, chi phí định tuyến thấp hơn so với phương pháp thông thường

Dựa trên kết quả nghiên cứu về việc áp dụng lý thuyết đồ thị vào mạng phân tán, bài toán trở thành xây dựng và bảo trì cây khung nhỏ nhất, lúc đó, chi phí về truyền dữ liệu sẽ được tối ưu nhất Tuy nhiên, cây khung dùng trong định tuyến

đa phát (cây khung đa phát) không giống hoàn toàn với cây khung nhỏ nhất thuần túy, lí do là chỉ có một số nút mạng thuộc nhóm đa phát để gửi nhận dữ liệu, một số nút khác chỉ đóng vai trò định tuyến và chuyển tiếp gói tin chứ không trực tiếp nhận dữ liệu

Luận văn sẽ sử dụng bộ công cụ mô phỏng mạng NS-2 [9] kết quả mô phỏng

và đánh giá giải thuật xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung đa phát trong MANET (giải thuật STM) [2] với thuật toán đa phát khác với số lượng nút lớn

để đánh giá chính xác hơn về năng mạng theo các tham số như thông lượng, độ trễ, chi phí phụ tải,… Kết quả chứng minh sự tối ưu của giải thuật trong về chi phí phụ tải, thông lượng, độ trễ,… của STM với với các giao thức khác

Tổ chức luận văn

Luận văn được bố cục theo các chương chính sau:

- Chương 1: Trình bày tổng quan về mạng MANET và đa phát trong mạng MANET

- Chương 2: Thuật toán xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung đa phát trong mạng MANET

- Chương 3: Đánh giá hiệu năng một số giao thức định tuyến mạng MANET Xây dựng mô hình thực nghiệm với các tham số sử dụng mô phỏng, đưa ra kết quả đánh giá và so sánh với các giao thức khác, kết quả đạt được trước đó

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET

1.1 Giới thiệu về mạng MANET

MANET là từ viết tắt của cụm từ Mobile Adhoc Netwok (mạng di động tùy biến không dây)

- Tất cả các nút mạng đều có năng và hoạt động như một router chức

Các thiết bị di động như các máy tính xách tay, với đặc trưng là công suất CPU, bộ nhớ lớn, dung lượng đĩa hàng trăm gigabyte, khả năng âm thanh đa phương tiện và màn hình màu đã trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày và trong công việc Đồng thời, các yêu cầu kết nối mạng để sử dụng các thiết bị di động gia tăng đáng kể, bao gồm việc hỗ trợ các sản phẩm mạng vô tuyến dựa trên vô tuyến hoặc hồng ngoại ngày càng nhiều Với kiểu thiết bị điện toán di động này, thì giữa những người sử dụng di động luôn mong muốn có sự chia sẻ thông tin

Hình 1.1: Topo Mạng Manet Một mạng tùy biến là một tập hợp các thiết bị di động hình thành nên một mạng tạm thời mà không cần sự trợ giúp của bất kỳ sự quản lý tập trung hoặc các dịch vụ hỗ trợ chuẩn nào thường có trên mạng diện rộng mà ở đó các thiết bị

di động có thể kết nối được Các node được tự do di chuyển và thiết lập nó tùy

ý Do đó, topo mạng không dây có thể thay đổi một cách nhanh chóng và không thể dự báo Nó có thể hoạt động một mình hoặc có thể được kết nối tới Internet Vậy MANET (mobile ad-hoc network) là một tập hợp của những node mạng không dây, những node này có thể được thiết lập tại bất kỳ thời điểm và tại bất

cứ nơi nào Mạng MANET không dùng bất kỳ cơ sở hạ tầng nào Nó là một hệ thống tự trị mà máy chủ di động được kết nối bằng đường vô tuyến và có thể di

chuyển tự do, thường hoạt động như một router

Lịch sử phát triển

Năm 1971, tại Đại học Hawaii các công nghệ mạng và truyền thông vô tuyến

đã được kết hợp lần đầu tiên trong dự án Alohanet Mục tiêu của mạng này là kết nối các cơ sở giáo dục ở Hawaii Mặc dù các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức ALOHA thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, do đó cung cấp cơ sở cho sự phát triển về sau của các lược đồ truy cập kênh phân tán cho phép hoạt động của mạng Ad Hoc

Mạng MANET có khởi nguồn từ mạng PRNet (Packet Radio Network) và

dự án SURAN (Survivable Radio Network) của tổ chức DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) thuộc chính phủ Mỹ

Năm 1972, mạng PRnet ra đời Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu

tiên Trong ngữ cảnh này, đa chặng có nghĩa là các nút hợp tác để chuyển tiếp truyền thông cho các nút ở xa nằm ngoài dải truyền thông của một nút khác

PRnet cung cấp cơ chế để quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung cũng như phân tán PRnet cũng là mạng đầu tiên sử dụng trạm điều khiển tập trung, sử dụng

những công nghệ sau này là tiền đề để cấu thành một mạng MANET như sau:

- Phát triển kiến trúc phân tán

- Là mạng sử dụng sóng vô tuyến quảng bá

- Tối thiểu hóa quản lý tập trung

- Sử dụng định tuyến nhớ và chuyển tiếp đa chặng (sử dụng Aloha/CSMA, phổ trải rộng trong thập kỷ 80 thế kỷ 20)

Vào năm 1983, dự án SURAN được phát triển Động lực thúc đẩy là:

- Xu hướng kích thước thiết bị truyền dẫn ngày càng nhỏ hơn, chí phí giảm, công suất sóng vô tuyến thấp

- Hỗ trợ nhiều giao thức sóng vô tuyến phức tạp

- Phát triển và chứng minh được các thuật toán có tính khả mở rộng (scalable algorithms), mạng có thể có đến 10.000 nút

- Phát triển và chứng minh sức chịu đựng và khả năng tồn tại chống lại các cuộc tấn công tinh vi (cải tiến trải phổ rộng, topo mạng phân cấp, tạo nhóm động …)

Trong quân đội (Army Research Office-ARO):

- Đầu tiên, họ sử dụng MANET cho các ứng dụng trên mặt đất

- Được sử dụng chính thay cho các mạng có cơ sở hạ tầng cố định

Trong hải quân (Office of Naval Research-ONR):

- Ban đầu được dùng cho các tàu trên biển

- Mạng MANET trên biển không có mật độ dày như mạng trên đất liền

- Đòi hỏi kết hợp với liên kết vệ tinh

Trong lực lượng không quân:

- Khảo sát sử dụng những máy bay để cung cấp truyền thông với các trạm mặt đất

Ứng dụng của mạng MANET

Truyền dữ liệu không dây di động có những bước tiến cả về công nghệ và khả năng sử dụng, động lực thúc đẩy là sự phát triển mạnh mẽ của Internet và sự thành công của thế hệ hệ thống di động thứ hai (2G), thế hệ hệ thống di động thứ

ba (3G) Dự kiến trong tương lai gần, vai trò truyền dữ liệu khoảng cách ngắn sẽ phát triển, là một phần bổ sung cho truyền thông quy mô lớn truyền thống bởi phần lớn các thiết bị thông tin liên lạc cũng như giao tiếp giữa con người xảy ra

ở khoảng cách nhỏ hơn mười mét Một yếu tố khác thúc đẩy sự phát triển của mạng Ad Hoc là các dải tần số được cấp phép miễn phí đem đến việc sử dụng các công nghệ truyền thông phát triển (như Bluetooth) triển khai dễ dàng và không tốn kém

Ngoài ra, do đặc tính tùy biến nên MANET có thể cung cấp một miền rộng các ứng dụng dịch vụ cho các vùng mạng cục bộ và đô thị như: Mạng cộng đồng, mạng hỗ trợ khẩn cấp, các điểm truy nhập công cộng, các ứng dụng cho quân đội, các ứng dụng tính toán nhúng và phân tán, các dịch vụ theo khu vực

và mạng cảm biến, vv

Trong lĩnh vực quân sự

Trang thiết bị quân sự hiện nay thường chứa một số loại thiết bị máy tính Manet mạng lưới sẽ cho phép quân đội để tận dụng lợi thế của công nghệ mạng phổ biến để duy trì một thông tin mạng lưới giữa những người lính, xe cộ, và thông tin từ bộ chỉ huy Các kỹ thuật cơ bản của mạng ad-hoc đến từ lĩnh vực này

Hình 1.2: Mô hình ứng dụng mạng Manet trong lĩnh vực quân sự

Trong lĩnh vực thương mại

MANET có thể sử dụng trong cứu hộ nhằm nỗ lưc cứu trợ những thiên tai

Ví dụ: hỏa hoạn, lũ lụt, động đất… Lĩnh vực cứu hộ làm việc trong môi trường

khắc nhiệt và nguy hiểm cho hạ tầng thông tin và tốc độ triên khai hệ thống nhanh thì cần thiết Thông tin được chuyển tiếp với các thành viên trong nhóm cứu hộ với nhau bằng một thiết bị nhỏ cầm tay

Trong mạng nội bộ

Mạng manet có thể chủ động liên kết một mạng lưới đa phương tiện tức thời

và tạm thời nhờ sử dụng máy tính xách tay để truyền bá và chia sẻ thông tin giữa các đại biểu tham dự như một hội nghị, lớp học Một cách sử dụng khác của loại mạng này là sử dụng trong gia đình để trao đổi trực tiếp thông tin với nhau Tương tự như vậy trong các lĩnh vực khác như taxi dân sự, thể thao, sân vận động, thuyền và máy bay nhỏ…

Hình 1.3: Mô hình ứng dụng mạng Manet trong mạng cục bộ

Trong mạng cá nhân (Personal are network)

MANET tầm ngắn có thể đơn giản hóa việc truyền thông giữa các thiết bị di động (PDA, laptop, cellphone) Những dây cáp được thay thế bằng việc kết nối

vô tuyến Mang manet cũng có thể mở rộng chức năng truy cập Internet như các mạng khác ví dụ như WLAN, GPRS, và USTM PAN là một lĩnh vực có tiềm năng ứng dụng đầy hứa hẹn của Manet phổ biến trong tương lai

Hình 1.4: Ứng dụng Manet trong mạng cá nhân (PAN) 1.2 Các đặc điểm của mạng MANET

Trong mạng AD HOC, các nút là di động và được trang bị các bộ phát và bộ nhận không dây sử dụng các loại ăng ten đẳng hướng để phát quảng bá hoặc ăng ten định hướng để phát điểm-điểm, có thể điều chỉnh được, hoặc kết hợp các loại ăng ten này Tại một thời điểm, tùy thuộc vào vị trí của nút và dạng bao phủ của bộ nhận và phát tín hiệu, mức công suất phát và các mức giao thoa cùng kênh, kết nối không dây giữa các nút có dạng ngẫu nhiên, đồ thị đa chặng Cấu hình này thay đổi theo thời gian do các nút di chuyển hoặc điều chỉnh các thông

số phát và nhận sóng Mạng MANET có một số đặc điểm nổi bật có ảnh hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng được trình bày dưới đây [5,6]:

1 Cấu hình mạng động: Các nốt di chuyển tự do, do vậy cấu hình mạng

gồm nhiều chặng có thể thay đổi ngẫu nhiên và liên tục tại bất kì thời điểm nào,

và có thể bao gồm cả liên kết song hướng và một hướng

2 Các liên kết với dung lượng thay đổi - băng tần hạn chế: Các liên kết vô

tuyến có dung lượng thấp hơn nhiều so với các liên kết hữu tuyến tương ứng Ngoài ra, thông lượng thực của liên kết vô tuyến sau khi tính toán ảnh hưởng của đa truy nhập, fading, tạp âm và nhiễu thường nhỏ hơn nhiều so với tốc độ truyền dẫn tối đa Dung lượng thấp thường gây ra vấn đề tắc nghẽn, nghĩa là lưu lượng tổng thường vượt quá dung lượng của mạng

3 Hoạt động tiết kiệm năng lượng: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng

MANET có thể dùng pin làm nguồn cung cấp năng lượng hoạt động Đối với các nút này, tiêu chí thiết kế hệ thống quan trọng nhất của việc tối ưu hóa là vấn

đề tiết kiệm năng lượng Để thực hiện tiêu chí này, các nút trong mạng Ad Hoc

bị hạn chế về khả năng tính toán của CPU, kích thước bộ nhớ, khả năng xử lý tín hiệu, và mức năng lượng phát và nhận sóng

4 Bảo mật vật lý hạn chế: Đối với các mạng di động vô tuyến, khả năng bị

nghe trộm, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ DOS (denial-of-service) cần được xem xét cẩn thận Các kỹ thuật bảo mật cần được triển khai trên nhiều tầng giao thức để làm giảm các nguy cơ bảo mật

đủ để các node liên kết trực tiếp với các node khác trong mạng

Hình 1.5: Mô hình định tuyến Singal-hop

 Multi-hop:

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

Hình 1.6: Mô hình định tuyến Multi-hop

 Mobile multi-hop:

Mô hình này cũng tương tự với mô hình thứ hai nhưng sự khác biệt ở đây là

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

1.3.2 Phân loại mạng MANET theo chức năng của nút

 Mạng Manet đẳng cấp (Flat)

Trong kiến trúc này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau ( peer) và các node đóng vai trò như các router định tuyến dữ liệu gói trên mạng Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những message điều khiển phải truyền trên toàn

peer-to-bộ mạng Tuy nhiên nó thích hơp trong những topo có các node di chuyển nhiều

 Mạng Manet phân cấp (Hierarchical)

Đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất Trong mô hình này thì mạng chia thành các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cluster mỗi cluster chia thành nhiều node Có hai loại node là master node và normal node Master node là node quản trị một router có nhiệm vị chuyển dữ liệu của các node trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại Nói cách khác

nó có nhiệm vụ như một gateway

Normal node là các node nằm trong cùng một cluster Nó có thể kết nối với các node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node

Hình 1.7: Mạng Manet phân cấp Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì các tin nhắn chỉ phải truyền trong 1 cluster Tuy nhiên việc quản lý tính chuyển động của các node trở nên phức tạp hơn Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp

 Mạng MANET kết hợp (Aggregate MANET)

Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các zone và các nút được chia vào trong các zone Mỗi nút bao gồm hai mức topo (topology ): topo mức thấp (node level) và topo mức cao (zone level) (high level topology)

Ngoài ra, mỗi nút còn đặc trưng bởi hai ID: node ID và zone ID Trong một zone có thể áp dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp

Hình 1.8: Mạng MANET kết hợp

1.4 Định tuyến trong mạng MANET

1.4.1 Vấn đề định tuyến trong mạng MANET

Trên thực tế trước khi một gói tin đến được đích, nó có thể phải được truyền qua nhiều chặng, như vậy cần có một giao thức định tuyến để tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng Giao thức định tuyến có hai chức năng chính, lựa chọn các tuyến đường cho các cặp nguồn-đích và phân phối các gói tin đến đích chính xác

Truyền thông trong mạng MANET dựa trên các đường đi đa chặng và mọi nút mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận, do vậy định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức

độ di động của các nút mạng tăng cao Đề tài luận văn này chỉ nghiên cứu sâu vấn đề định tuyến trong mạng MANET nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh

hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của một số thuật toán định tuyến trong mạng MANET

1.4.2 Phân loại các giao thức định tuyến

Vấn đề luôn được đặt ra đối với các mạng MANET chính là phương pháp gửi thông tin giữa các node không có liên kết trực tiếp, khi mà các node trong mạng di chuyển không theo các dự đoán và dẫn tới cấu hình mạng thường xuyên thay đổi Vì vậy, cách tiếp cận định tuyến trong các mạng cố định truyền thống không thể áp dụng được đối với các mạng tùy biến di động không dây Một phương pháp phổ biến để phân biệt các giao thức định tuyến trong mạng MANET dựa trên cách thức trao đổi thông tin định tuyến giữa các node theo phương pháp này, các giao thức định tuyến được chia thành: định tuyến theo bảng, định tuyến theo yêu cầu và định tuyến lai ghép (Hình 1.9) Sự khác biệt của các giao thức này xuất phát từ tính chuyên biệt đối với các khía cạnh định tuyến như phương pháp tìm đường ngắn nhất, thông tin tiêu đề định tuyến hay đặc tính cân bằng tải, v.v

Hình 1.9: Phân loại các giao thức trong mạng Manet

1.4.2.1 Các giao thức định tuyến theo bảng

Trong phương pháp định tuyến theo bảng, các node trong mạng MANET liên tục đánh giá các tuyến tới các node để duy trì tính tương thích, cập nhật của thông tin định tuyến Vì vậy, một node nguồn có thể đưa ra một đường dẫn định tuyến ngay lập tức khi cần Trong các giao thức định tuyến theo bảng, tất cả các node cần duy trì thông tin về cấu hình mạng Khi cấu hình mạng thay đổi, các cập nhật được truyền lan trong mạng nhằm thông báo sự thay đổi Hầu hết các giao thức định tuyến theo bảng đều kế thừa và sửa đổi đặc tính tương thích từ các thuật toán chọn đường dẫn ngắn nhất trong các mạng hữu tuyến truyền thống Các thuật toán định tuyến theo bảng được sử dụng cho các node cập nhật trạng thái mạng và duy trì tuyến bất kể có lưu lượng hay không Vì vậy, tiêu đề thông tin để duy trì cấu hình mạng đối với các giao thức này thường là lớn Một

số giao thức định tuyến điển hình theo bảng trong MANET gồm: Giao thức định tuyến không dây WRP (Wireless Routing Protocol), định tuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Destination Sequence Distance Vector), định tuyến trạng thái tối ưu liên kết OLSR (Optimized Link State Routing), định tuyến trạng thái góc rộng (fisheye (Fisheye State Routing), …

1.4.2.2 Các giao thức định tuyến theo yêu cầu

Trong phương pháp định tuyến theo yêu cầu, các đường dẫn được tìm kiếm chỉ khi cần thiết, hoạt động tìm tuyến bao gồm cả thủ tục xác định tuyến Thủ tục tìm tuyến kết thúc khi một tuyến không được tìm thấy hoặc không có tuyến khả dụng sau khi xác minh toàn bộ tập hoán vị tuyến Trong mạng MANET, các tuyến hoạt động có thể ngừng do tính di động của node

Vì vậy, thông tin duy trì tuyến là tối quan trong đối với các giao thức định tuyến theo yêu cầu So với các giao thức định tuyến theo bảng, các giao thức định tuyến theo yêu cầu thường có tiêu đề trao đổi thông tin định tuyến nhỏ hơn

Vì vậy, về mặt nguyên tắc, các giao thức này có khả năng mở rộng tốt hơn đối với các giao thức định tuyến theo bảng Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của các giao thức định tuyến theo yêu cầu là trễ do tìm kiếm tuyến trước khi chuyển tiếp thông tin dữ liệu Ví dụ về một số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm: giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing), giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc On- demand Distance Vector routing) và giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thời TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)

1.4.2.3 Giao thức định tuyến lai ghép

Các giao thức định tuyến lai ghép được đề xuất để kết hợp các đặc tính ưu điểm của các giao thức định tuyến theo bảng và theo yêu cầu Thông thường, các giao thức định tuyến lai ghép MANET được sử dụng trong kiến trúc phân cấp Các giao thức định tuyến theo bảng và theo yêu cầu được triển khai trong các cấp thích hợp Một số ví dụ về giao thức định tuyến lai ghép: giao thức định tuyến vùng ZRP (Zone Routing Protocol), giao thức định tuyến trạng thái liên kết dựa trên vùng ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State routing) và giao thức định tuyến mạng tùy biến lai HARP (Hybrid Ad hoc Routing Protocol),

1.5 Đa phát trong mạng MANET

Hiện nay các công nghệ sử dụng trong MANET đang phát triển, nhiều ứng dụng mới đang được triển khai lĩnh vực này Nhiều nhóm dịch vụ đang được phát triển theo hướng tận dụng bản chất truyền đa phát cua mạng không dây

Do đó, các giao thức đa phát trong mạng MANET đang được nhiều hướng nghiên cứu quan tâm

1.5.1 Giới thiệu

Mạng MANET là một mạng có cấu hình động, có khả năng tự trị, nó không

có sở sở hạ tầng cố định hay một trung tâm quản lý Những đặc điểm này làm cho mạng MANET thích hợp cho các ứng dụng quan trọng như khôi phục thiên tai, tìm kiếm với số lượng lớn, liên lạc trong cứu hộ, vì vậy định tuyến trong MANET có rất nhiều khó khăn Các nút trong mạng MANET có thể di chuyển

tự do, hình trạng mạng thay đổi liên tục, băng thông giới hạn, hạn chế về năng lượng Với những lý do này thì sự phát triển của giao thức định tuyến trong MANET là một thách thức lớn Trong đó, đa phát đóng một vài trò quan trọng trong MANET Nhiều ứng dụng trong mạng adhoc cần nút để thực hiện một công việc tạo thành một nhóm cụ thể Những ứng dụng này có thể nâng cao hiệu quả trong mạng không dây, nên định tuyến đa phát đang được tập trung nghiên cứu và một số giao thức định tuyến đa phát trong MANET đã được đề xuất

Đa phát (Multicast) là việc truyền các gói dữ liệu tới nhiều hơn 1 nút và sử dụng chung một địa chỉ đa phát Nhiều nút gửi và nhận tạo thành một nhóm đa phát Trong mạng không dây, đã có một số giao thức định tuyến thiết lập hiệu quả tính đa phát, nhưng khi nói đến MANET, những giao thức này của nó luôn được đánh giá cao bởi một số đặc điểm đặc biệt của MANET Khi thiết lập các giao thức trong MANET cần quan tâm đến một số vấn đề như chúng luôn cập nhật liên tục các con đường truyền dữ liệu, thành viên nhóm có thể thay đổi, và thông tin trạng thái càng ít càng tốt Một số giao thức định tuyến đa phát đã được đề xuất cho MANET, dựa vào các tuyến đường mà nó tạo ra có thể phân loại thành hai loại là dựa theo cây hoặc dựa theo lưới Trước đó, tất cả các tuyến đường tạo thành cấu trúc của cây đều xuất phát từ gốc, do đó chỉ có một con đường giữa mỗi cặp nút của người gửi và người nhận Phương pháp này hiệu quả khi mà thông tin định tuyến vần được duy trì là ít Trong khi, cấu trúc lưới của thông tin định tuyến sẽ duy trì nhiều hơn một đường giữa các nút gửi và nút nhận đã tồn tại, vì vậy nó có độ linh hoạt hơn nhưng kèm hiệu quả hơn Cả hai loại đều sử dụng cơ chế phát hiện và bảo trì các tuyến đường tương tự nhau Là chúng sử dụng phương pháp “làm lụt” trong nhóm của nó để tìm đường, và lưu trữ thông tin về tuyến đường trong bảng định tuyến của các nút trung gian Việc chuyển dữ liệu sẽ dựa vào thông tin định tuyến này Các tuyến đường sẽ được cập nhật định kỳ và khôi phục khi có sự cố xảy ra

1.5.2 Giao thức đa phát trong mạng MANET

MANET là một môi trường thường xuyên thay đổi, vì vậy việc thiết lập theo các giao thức đa phát truyền thông không thể triển khai trực tiếp với nó Cần phải có những thay đổi và mở rộng để khắc phục được những khó khăn của

MANET như hình trạng mạng thay đổi, băng thông hạn chế, vấn đề năng lượng Các giao thức mới được tạo ra để tránh về làm “lụt” toàn cục, xây dựng các tuyến đường động, nên cập nhật cho các thành viên theo định kỳ

Có nhiều cách để phân loại các giao thức định tuyến đa phát, tùy theo triết lí

về mục đích xây dựng giao thức định tuyến Hình 1.10 mô tả khái quát các cách thức phân loại giao thức định tuyến

Hình 1.10: Phân loại các giao thức định tuyến đa phát

Có một số cách phân loại khá phổ biến sau:

1.5.2.1 Giao thức đa phát dựa theo cây

Khái niệm dựa theo cây được mượn từ các giao thức đa phát trong mạng có dây Nhưng nó mang lại hiệu quả trong mạng không dây như các phương pháp

đa phát dựa theo cây, hoặc nguồn hoặc chia sẻ theo cây Một cây đa phát là tập hợp các nút được xây dựng từ nút nguồn, và đây chính là đường đi ngắn nhất giữa hai nút bất kỳ thuộc cây

Với giao thức dựa trên cây mang lại hiệu quả hơn vấn đề đa phát, nhưng có quá nhiều thông tin định tuyến để duy trì tuyến đường và khả năng mở rộng thấp Sau đó sẽ xây dựng cây đa phát từ các nhóm đa phát từ một số nút nguồn Thông thường cây có cấu trúc chia sẻ là cây khung tối thiểu Trong trường hợp tuyến đường giữa nút gửi và nút nhận không phải là con đường ngắn nhất thì các giao thức chia sẻ dựa theo cây lại kém hiệu quả hơn giao thức dựa trên nguồn trong vấn đề đa phát Hai giao thức sau đây được phát triển cho MANET

DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol – Giao thức định

tuyến đa phát theo vector khoảng cách) Đây là phương pháp sử dụng thuật toán tìm con đường ngược lại để xây dừng một cây đa phát dựa trên nguồn trong nhóm đa phát DVMRP có hai giai đoạn chính để xây dựng cây đa phát Đầu tiên, nguồn sẽ phát quảng bá một thông điệp thông báo Mỗi nút trung gian sẽ chuyển tiếp thông báo này nếu liên kết mà từ đó nhận được thông điệp là đường

đi ngắn nhất để tới nguồn Đồng thời, tất cả các nút có thể quyết định nút cha của nó, đó là nút trước trên đường đi ngắn nhất để đến nguồn Vì vậy, mối quan

hệ cha-con được thiết lập và cây đường đi ngắn nhất từn nguồn tới tất cả các nút được xây dựng, hình 1.11 (b) Giai đoạn 2, là giao đoạn “xén bớt ” (pruning) Mỗi nút là, nếu không phải là thành viên của nhóm đa phát, nó sẽ gửi thông báo prune tới nút cha của nó Các nút cha trung gian sẽ gửi thông báo prune tới nút cha của nó, nếu không phải là thành viên của nhóm được lưu ở gốc của cây (hình 1.11.c) Bằng cách này, Các nút thành viên không thuộc cây con đều bị lược bớt nghĩa là bị xóa thông tin từ bảng chuyển tiếp của các nút cha của nó Vì vậy, cây đa phát dự theo nguồn sẽ được hình thành (hình 1.11.d) Khi một nút không phải là thành viên của nhóm muốn tham gia vào nhóm đa phát này, nó sẽ gửi một thông báo đến nút cha của nó Nút cha sẽ chuyển thông báo này ngược lên cho đến khi thông báo đến một nút thuộc cây đa phát này Như vậy, nhánh này sẽ được ghép vào cây đa phát dựa theo nguồn

Hình 1.11 Cấu trúc cây đa phát của DVMRP (a) Broadcast thông báo Advertise (b) Đường đi ngắn nhất dựa trên nguồn của cây giữa tất cả các nút (c) Gửi đơn phát thông báo prune (d) Cây đa phát dựa theo nguồn

Multicast Ad hoc On-demand Distance Vector – MAODV

Giao thức MAODV [7] được phát triển từ giao thức AODV Nó lưu trữ một cây dùng chung chứa các nút nhận và các nút chuyển trung gian cho mỗi nhóm

đa phát Giao thức phát hiện một tuyến đường đa phát khi có yêu cầu thông qua

cơ chế gửi gói tin quảng bá

Thành viên đầu tiên của nhóm đa phát trở thành “nút thủ lĩnh” của nhóm Nút thủ lĩnhlưu giữ và quảng bá một số thứ tự cho nhóm đa phát thông qua gói tin HELLO Các nút sử dụng thông tin trong gói HELLO đề cập nhật bảng yêu cầu của chúng

Khi một nút muốn tham gia vào nhóm đa phát, nút sẽ gửi gói tin truy vấn tìm đường đi (RREQ) tới nút leader thông qua đơn phát hoặc gửi quảng bá Chỉ có nút leader hoặc các nút thành viên của nhóm có số thứ tự cao hơn nút truy vấn mới được phép gửi phản hồi cho nó Khi các nút như thế nhận được gói tin RREQ, nút sẽ chon số thứ tự lớn nhất và số chặng nhỏ nhất để gửi đơn phát gói tin phản hồi RREP cho nút truy vấn Gói RREP chứa khoảng cách từ nút gửi phản hồi tới nút leader và số thứ tự hiện thời của nhóm Khi nút truy vấn nhận được nhiều gói RREP nó sẽ chọn gói có số thứ tự lớn nhất và gần nút leader nhất, sau đó nút gửi gói MACT tới chặng tiếp theo để khởi tạo tuyến đường Các nút không phải lá khi muốn rời khỏi nhóm sẽ gửi thông điệp với cờ prune được thiết lập tới chặng kế tiếp của nút MAODV sử dụng tìm kiếm vòng mởrộng(ERS) để duy trì cây đa phát Khi link lỗi giữa hai nút được phát hiện, nút bị tách rời sẽ gửi gói tin RREQ sử dụng ERS Các nút gần leader hơn sẽ gửi phản hồi Nếu nút không nhận được phản hồi, nó tự mình xây dựng cây đa phát mới

Nhận xét :

- Trở ngại lớn nhất của MAODV là độ trễ cao và overhead lớn Hơn nữa tỉ

lệ nhận gói tin thấp trong các mô phỏng có nút mạng di chuyển nhiều, số lượng nút thành viên lớn, và độ tải cao Trường hợp tồi tệ nhất xảy ra khi nút thủ lĩnh

bị lỗi

Hình 1.12: Hoạt động giao thức MAODV

1.5.2.2 Giao thức định tuyến dựa theo lưới

Phương pháp dựa trên lưới là phương pháp phù hợp cho mạng MANET vì

nó thể hiện sự linh hoạt hơn của giao thức Đó là, khi một tuyến đường bị lỗi, rất

dễ xảy ra trong mạng MANET, thì sẽ có một con đường khác để truyền dữ liệu

Đó là đường dự phòng được sử dụng khi có lỗi xảy ra Một số giao thức trong MANET dựa theo lưới:

On-Demand Multicast Routing Protocol - ODMRP

On-demand Multicast Routing Protocol hay ODMRP [8] là giao thức đa phát dựa trên nút nguồn Ở đây chúng ta quan tâm đến thuật ngữ “nhóm chuyển” – là tập các nút chuyển gói dữ liệu đa phát

Khi nguồn đa phát có dữ liệu để gửi nhưng không có bất kỳ thông tin định tuyến nào, nút sẽ phát tràn gói tin JOIN DATA Khi một nút nhận được một gói tin JOIN DATA gốc, nó lưu lại ID nút gửi và tiếp túc gửi quảng bá gói tin đó Khi gói JOIN DATA đến được nút nhận, nút nhận sinh gói tin JOIN TABLE và gửi quảng bá cho các hàng xóm của nó Khi một nút nhận đượcgói JOIN TABLE, nếu ID của nút bằng với giá trị trường next ID của một trong các entry thuộc JOIN TABLE thì nút sẽ quyết định mình nằm trên đường đi tới nguồn, điều này đồng nghĩa với việc nút này thuộc về “nhóm chuyển” Sau đó nó bắt đầu gửi quảng bá gói JOIN TABLE của chính nó Gói JOIN TABLE được gửi qua từng thành viên trong nhóm chuyển cho đến khi tới được nguồn đa phát Các nút gửi cập nhật thông tin về các nút thành viên bằng cách gửi định kỳ các gói JOIN DATA Các nút tự do rời khởi nhóm và không cần gửi bất kỳ gói tin nào vào mạng

Nhận xét :

- Hạn chế chính của quá tải do các gói tin điều khiển gây nên trong quá

trình duy trì nhóm chuyển và phát tràn gói tin toàn mạng

- Hạn chế thứ hai chính là hiện tượng nhân bản các gói tin trong mạng

- Cuối cùng, các nút nguồn phải là thành viên của mạng lưới đa phát cho dù chúng không muốn nhận các gói đa phát

Hình 1.13: Giao thức ODMRP

Giao thức PUMA

Giao thức Protocol for Unified Multicasting through Announcements (PUMA[9]) là giao thức quản lý hình trạng mạng theo lưới và xây dựng vào bảo trì hình trạng mạng dựa trên các bản tin thông báo

PUMA là giao thức đa phát trong đó các nút nhận sẽ chủ động khởi tạo một lưới để phục vụ cho quá trình nhận dữ liệu Mặc định, nút nhận đầu tiên tham gia nhóm đa phát sẽ đóng vai trò là lõi của nhóm, trong trường hợp có nhiều nút nhận đồng thời tham gia vào nhóm thì nút có địa chỉ IP lớn nhất sẽ được chọn làm lõi PUMA là giao thức đơn giản, nó chỉ sử dụng một gói tin điều khiển duy nhất gọi là Multicast Announcement Khác với MAODV, PUMA không cần đến bất cứ kênh truyền đơn phát nào , tất cả các phiên truyền nhận dữ liệu đều là broadcast Thành viên của lưới sẽ chỉ bao gồm thành viên nhóm đa phát và các nốt kết nối giữa chúng

Định kì, lõi của nhóm sẽ gửi đi thông điệp Multicast Announcement cho các nút lân cận thông qua cơ chế broadcast, các thông điệp định kì này được phân biệt bằng số hiệu (sequence number) tăng dần theo phiên Mỗi nút hàng xóm nhận được các thông điệp Multicast Announcement từ các nút lân cận sẽ lựa chọn ra thông điệp Multicast Announcement tốt nhất, theo tiêu chí: thông điệp nào có số hiệu lớn hơn là tốt hơn; nếu 2 thông điệp có cùng số hiệu thì thông điệp nào có khoảng cách tới nút lõi nhỏ hơn là tốt hơn; nếu 2 thông điệp có cùng

số hiệu và khoảng cách thì thông điệp nào đến trước là tốt hơn Sau khi lựa chọn được thông điệp Multicast Announcement tốt nhất tại mỗi nút, nút đó lại phát tỏa thông điệp tốt nhất này cho các nút liền kề, cứ như vậy lan tỏa khắp toàn bộ mạng Sau đó, dựa vào danh sách kết nối (Connectivity List) xây dựng được sau

xử lí các thông điệp Multicast Announcement, các nút có cơ chế dịnh tuyến dựa theo lưới dựng được

Khi một thông điệp Multicast annoucement truyền đi trong lưới, các nút sẽ biết được đường đi ngắn nhất tới lõi, sử dụng cơ chế từ thông điệp Join Annoucement, được gửi đi ngược chiều lại từ nút muốn tham gia nhóm về đến lõi của nhóm

Theo cách này, các gói dữ liệu sẽ được định tuyến tới đích một cách nhanh nhất Trên đường hướng về lõi, gói dữ liệu sẽ gặp phải hai trường hợp :

(a)Gói đi dọc theo tất cả các đường đi có thể cho đến khi gặp lõi

(b) Gói sẽ đến một thành viên của lưới trước khi đến được lõi Trong trường hợp (b), gói sẽ được truyền giới hạn trong các thành viên của mesh Khi lõi của nhóm gặp lỗi , quá trình chọn lõi sẽ được kích hoạt để chọn ra một lõi mới Hình 1.14 dưới đây mô tả sự hình thành lưới, sự phát tỏa của thông báo Multicast Announcement từ lõi của mạng đến các nút

Hình 1.14: Khởi tạo lưới trong mạng bằng giao thức PUMA

1.5.2.3 Giao thức đa phát lai (Hybrid Multicasting Protocol)

Là giao thức kết hợp của phương pháp dựa trên cây và dựa trên lưới để đạt được hiệu quả cao hơn và sự linh hoạt Nó có hai thủ tục chính, đó là tạo lưới và tạo cây Đầu tiên, tạo ra lưới liên kết ảo giữa các thành viên trong nhóm dựa vào các liên kết vật lý Mỗi liên kết ảo của lõi sẽ được lựa chọn từ các thành viên Sau đó sử dụng lưới để thiết lập cây đa phát, sẽ được khởi tạo từ các liên kết hợp

lý Cây có thể không thay đổi ngay cả khi hình trạng mạng thay đổi, vì liên kết giữa nút lõi vẫn hoạt động với sự giúp đỡ của lưới ảo Những nút láng giềng trên cây đa phát được kết nối bởi các đường hầm cơ bản nhằm xử lý khi hình trạng mạng thay đổi Vì vậy, cấu trúc cả cây và lưới đều khá ít thay đổi (hình 1.15)

Hình 1.15 Cây đa phát ảo

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN XÂY DỰNG VÀ BẢO TRÌ TỐI ƯU

CÂY KHUNG ĐA PHÁT TRONG MẠNG MANET

2.1 Giới thiệu

Vấn đề truyền đa phát là vấn đề phức tạp, việc truyền nhiều bản sao của gói tin tới nhiều nút khác nhau (nhưng không phải là tất cả các nút) gọi là đa phát (Multicasting) Trong cả mạng không dây và mạng có dây dựa trên cơ sở hạ tầng

và được hỗ trợ bởi nhiều giao thức định tuyến khác nhau Nhưng, việc áp dụng giao thức này trong mạng tự hợp di động (MANET) lại là một thách thức lớn Các vấn đề trong mạng tự hợp di động là sự khan hiếm của băng thông, thời gian tồn tại ngắn của các nút do hạn chế về năng lượng và cấu trúc liên kết động của các nút Những vấn đề này là động lực như khả năng mở rộng, năng lượng, hiệu quả truyền thông của giao thức định tuyến đơn giản cho môi trường đa phát Có hai loại giao thức định tuyến đa phát trong mạng không dây là giao thức định tuyến đa phát dựa theo cây và giao thức định tuyến dựa theo lưới Trong luận văn này sẽ trình này về một giao thức định tuyến có hiệu quả cho mạng MANET Đó là giải thuật phân tán cho cây khung có trọng số tối thiểu nghĩa là mạng phân tán như là một đồ thị vô hướng có trọng số các cạnh là khác nhau [2,4] Theo lý thuyết đồ thị, xem mỗi thiết bị mạng là một nút trong cây khung, đường truyền gói tin là cạnh của cây khung Vấn đề xây dựng định tuyến được qui về xây dựng cây khung bao gồm tất cả các nút trong cây, sao cho cây khung có tổng trọng số của các cạnh là nhỏ nhất, thì chi phí đường truyền mạng cũng là nhỏ nhất Trong mạng MANET do các nút mạng có hình di động nên hình trạng mạng thay đổi liên tục do đó cây khung cũng thay đổi liên tục Nên việc xây dựng và bảo trì cây khung [10] một để giảm chi phí bảo trì một cách tối thiểu là vấn đề quan trọng được đưa ra, và giải quyết ở các phần sau

2.2 Tư tưởng chung thuật toán

2.2.1 Giải thuật bảo trì cây khung trong mạng tĩnh

Xét một hệ phân tán là một đồ thị vô hướng G=(V,E), với tập nút V biểu diễn các bộ xử lý của mạng và tập cạnh E biểu diễn các liên kết truyền thông giữa các bộ xử lý Mỗi nút trong mạng có một định danh phân biệt Mỗi liên kết trong mạng có một trọng số nhất định, giả sử trọng số của các liên kết là khác nhau Để tiện trong việc xây dựng giải thuật, ta giả thiết trọng số của các liên kết

là khác nhau Ta có định nghĩa sau:

Định nghĩa 3.1:Một cây khung tối thiểu trong đồ thị G = (V, E) (Minimum

Spanning Tree - MST) là một đồ thị con gồm n nút và n – 1 cạnh thỏa mãn các tính chất sau: