Đặt gateway hiệu quả trong mạng wireless mesh network

Tính chất của mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông, phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ,… Trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐINH HỮU NGHĨA

ĐẶT GATEWAY HIỆU QUẢ TRONG MẠNG

WIRELESS MESH NETWORK

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐINH HỮU NGHĨA

ĐẶT GATEWAY HIỆU QUẢ TRONG MẠNG

WIRELESS MESH NETWORK

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số: 60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ TRỌNG VĨNH

Hà Nội – 2010

MỤC LỤC

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 5

1 Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu 5

1.1 Mạng lưới không dây là gì? 5

1.2 Tương lai phát triển các mạng cục bộ 6

1.3 Kiến trúc của mạng lưới không dây 7

1.4 Các vấn đề của mạng WMN 11

2 Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN 13

CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY 15

1 Giới thiệu 15

2 Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán 16

2.1 Topology mạng 16

2.2 Mô hình truyền 17

2.3 Thông lượng 18

3 Đặt Gateway theo trọng số Multi-Hop Traffic-Flow Weight (MTW) 19

3.1 MTW 20

3.2 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway 21

4 Lập chương trình lưu lượng cho việc tính toán thông lượng 24

4.1 Thông lượng trong truyền thông lõi 25

4.2 Thông lượng trong truyền thông cục bộ 28

4.3 Thông lượng khả thi trong WMN 29

5 Đánh giá thuật toán 30

CHƯƠNG 3 ĐẶT GATEWAY SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PSO 32

1 Giới thiệu về thuật toán PSO 32

2 Thuật toán PSO cho bài toán đặt gateway 35

3 Kết quả mô phỏng, nhận xét và đánh giá 37

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

1 WPAN : Wireless Personal-Area Network

2 WLAN : Wireless Local-Area Network

3 WMAN : Wireless Metropolitan-Area Network

4 WWAN : Wirelss Wide-Area Network

5 WMN : Wireless Mesh Network

6 SRD : Slot Reuse Distance

7 CRF : Cell Reuse Factor

8 PSO : Particle Swarm Optimization

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi triển khai mạng Trong thực tế thường được phân chia thành các loại mạng: mạng cá nhân WPAN, mạng nội bộ WLAN, mạng đô thị WMAN, mạng diện rộng WWAN Tính chất của mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông, phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ,…

Trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính chất của mạng Kỹ thuật mạng lưới không dây Wireless Mesh Network (WMN) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn Kỹ thuật mạng lưới không dây có thể được ứng dụng trong các ngữ cảnh mà không thể sử dụng mạng có dây để thay thế hoặc nếu thay thế được thì phải trả chi phí rất lớn Mạng hình lưới không dây được ứng dụng để triền khai nhiều dịch vụ thiết thực phục vụ cuộc sống như là các ứng dụng trong giao thông công cộng, doanh nghiệp, điều khiển tự động, y tế, quan sát an ninh

Có rất nhiều các vấn đề mở cần được nghiên cứu trong mạng WMN Thông lượng

là một trong những thành phần chủ yếu nhằm đảm bảo các dịch vụ của mạng WMN để thỏa mãn được yêu cầu của các khách hàng Trong đó, rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng

vị trí đặt các gateway ảnh hưởng rất lớn đến thông lượng của mạng [1] Do vậy, việc tối

ưu hóa vị trí đặt cổng là rất quan trọng - một cách đặt các gatewaytốt sẽ mang lại thông lượng tốt hơn nhiều Chính vì lẽ đó, luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề đặt gateway trong mạng WMN sao cho mạng sẽ đạt được hiệu quả cao nhất

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu

1.1 Mạng lưới không dây là gì?

Mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network) bao gồm các router và các client

kết nối với nhau như trong hình 1 Các router hình thành cơ sở hạ tầng mạng - được gọi là

mesh backbone – cung cấp sự truy cập mạng cho các clients Các thiết bị này thường

không bị ràng buộc về năng lượng, khả năng tính toán, bộ nhớ và hoạt động như những thiết bị chuyển mạch thông minh

WMN có tất cả các ưu điểm của các mạng không dây ad-hoc và có thêm nhiều ưu điểm mở rộng nhờ kỹ thuật kiến trúc cơ sở hạ tầng Mesh backbone có thể triển khai

nhanh chóng với giá thành thấp nhưng là một hệ thống hiệu quả, thực tế, mềm dẻo và

mạnh để hỗ trợ việc truy cập mạng cho các client Mesh backbone có thể cung cấp cho

các client nhiều dịch vụ và tài nguyên khác nhau thông qua các chức năng gateway (cổng mạng) và bridging (cầu nối)

Hình 1 Mạng WMN

Những thuận lợi này nhấn mạnh rằng, WMN là công nghệ hứa hẹn cho một số lượng lớn các ứng dụng như là mạng gia đình, mạng cộng đồng hay tập đoàn, truy nhập internet công cộng… tốc độ cao

1.2 Tương lai phát triển các mạng cục bộ

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi triển khai mạng

Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt động ở một phạm vi nhất định và được phân loại theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ Trong thực tế mạng

không dây thường được phân chia thành: Mạng cá nhân WPAN (Wireless Personnal

Area Network), mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network), mạng đô thị

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) và mạng diện rộng WWAN (Wireless

Wide Area Network)

Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa và nhỏ, công nghệ WLAN (IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù hợp về đặc điểm kỹ thuật cũng như chi phí sử dụng Tuy nhiên, do hạn chế về tầm phủ sóng, công nghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng mạng Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được

các tính chất của mạng Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh

Network) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi

phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn

Trong những năm gần đây, mạng lưới không dây (WMN) đã được sử dụng như là giải pháp chủ yếu cho việc mở rộng kết nối Internet cho các nút di động Nhiều thành phố

ở Mỹ (Medford, Oregon; Chaska, Minnesota; và Gilbert, Arizona) đã triển khai mạng lưới không dây Một vài công ty như MeshDynamic gần đây đã thông báo sự sẵn sàng của công nghệ mạng lưới đa hop (số lần chuyển đổi) đa sóng Những mạng này xử lý gần giống mạng có dây, chúng hiếm khi có thay đổi về topo, các nút bị lỗi được giảm đi… Với các mạng lưới không dây, toàn bộ lưu lượng tải của mỗi nút định tuyến cũng ít thay đổi

Một trong những vấn đề chính phải đối mặt của mạng không dây là sự suy giảm thông lượng vì sự giao thoa gây ra nhiễu của những đường truyền đồng thời Sử dụng nhiều kênh và nhiều sóng có thể làm giảm bớt nhưng không khử hoàn toàn được nhiễu

1.3 Kiến trúc của mạng lưới không dây

1.3.1 Các thành phần của mạng lưới không dây

Công nghệ mạng WLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây diện rộng thông qua một số cải tiến về phần cứng và phần mềm trên các chuẩn 802.11a, 802.11b có dải tần khác nhau Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN có thể được ứng dụng cho nhiều kiểu hạ tầng mạng không dây khác nhau và một trong số đó là mạng không dây cục

bộ WLAN

Trong kỹ thuật mạng hình lưới, có các khái niệm:

- Nút (Node): Gồm có router và/hoặc các client (máy tính, PDA,…)

- Nút đường lên (Uplink Node): Nút kết nối tới mạng Internet thông qua đường

truyền hữu tuyến để cung cấp kết nối Internet cho toàn mạng

- Nút đường xuống (Downlink Node): Nút kết nối tới mạng và có khả năng phục

vụ cả kết nối hữu tuyến và vô tuyến cho mạng

- Nút lặp (Repeater Node): Nút kết nối vào mạng và không dùng để phục vụ các

client chỉ đóng vai trò là nút trung gian khôi phục và lặp tín hiệu

1.3.2 Mô hình kết nối

Mạng lưới không dây sử dụng các mô hình kết nối cơ bản như sau:

- Điểm – Điểm (Point-to-Point): Là kiểu kết nối đơn giản nhất, hai nút truyền

thông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với nhau như hình 2

- Điểm – Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút đường lên

dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc các nút lặp) với anten thu công suất cao Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu hình Điểm – Điểm vì khi thêm một thuê bao mới chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị tại khu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút đường lên Tuy vậy, các trạm thu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn thẳng với trạm phát sóng gốc Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi… sẽ góp phần làm cấu hình mạng lưới Điểm – Đa điểm hoạt động không hiệu quả như hình 3

- Đa điểm – Đa điểm (Multipoints–to-Multipoints): Mỗi nút có vai trò không chỉ là

điểm truy nhập cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu Cấu hình này có

độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thông với nhau, một nút chỉ cần có kết nối với một nút bất kỳ mà không cần phải có kết nối trực tiếp với nút đường lên như trong cấu hình Điểm – Đa điểm, là có thể kết nối với toàn mạng Tuy nhiên, đổi lại giao thức tìm đường của mạng sẽ có độ phức tạp cao hơn như hình 4

Ưu điểm của mô hình lưới đó là độ tin cậy cao vì các kết nối mạng không phụ thuộc vào bất kỳ node nào Nếu một node của mạng bị trục trặc, các node có thể tương tác với một node khác thông qua node trung gian Mô hình này cũng thích hợp cho các mạng lớn như mạng WAN vì nó cho phép nhiều vị trí trên mạng lớn kết nối đến một nơi tin cậy khác

Hình 2: Kết nối điểm – điểm

Hình 3: Kết nối điểm – đa điểm

Hình 4: Kết nối đa điểm – đa điểm

1.4 Các vấn đề của mạng WMN

Truyền thông không dây đã chứng tỏ tầm quan trọng của nó trong thời gian qua như là nền tảng điều khiển của sự phát triển kinh tế, đầu tiên là theo hình thức mạng di

động và gần đây là cho các mạng máy tính (WiFi, WiMAX) Trong thập kỷ tới có thể nó

sẽ mang lại sự phát triển một cách đột phá Mức độ phát triển đầy đủ của chúng không thể dự đoán nhưng chắc chắn sẽ bao gồm:

▪ Các dịch vụ băng thông rộng: các dịch vụ “triple-play” (giọng nói, dữ liệu,

video) ở tốc độ lên tới 1Gbit/s cho người dùng trong một môi trường tùy ý

▪ Khả năng tính toán ở mọi nơi: Tính thông minh được phân phối trong một tập hợp các thiết bị hoạt động một cách tự chủ

▪ Các mạng cảm biến không dây cho việc giám sát và cảm nhận môi trường

Để làm được những điều trên, chúng ta cần phải giải quyết trong tương lai các vấn

đề chính sau đây:

- Quản lý tài nguyên và độ phổ thông minh:

+ Vấn đề các chiến lược định tuyến: Với mật độ gia tăng của độ phổ sử dụng một khoảng không gian sẽ trở nên tắc nghẽn và không thể định tuyến một tín hiệu thông qua chúng Nghiên cứu này cần xem xét các chiến lược định tuyến nhận ra nhiễu và khai thác kiến thức về các kênh sóng vô tuyến vật lý qua mạng để định tuyến các tín hiệu nhằm tránh tắc nghẽn đang tồn tại, và tránh việc tạo ra khu vực bị tắc nghẽn mới Bằng cách hiểu các thuộc tính của các kênh sóng vô tuyến, QoS có thể được quản lý một cách hiệu quả hơn và các kênh cũng được sử dụng hiệu quả hơn

+ Sự cung cấp băng thông thông minh: Đây là một thách thức chính trong các mạng không dây ở thế hệ sau, nó được xem xét không tầm thường và hầu như chưa được giải quyết hoàn toàn Các giải pháp cho cấp phát băng thông động là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện đã được tích hợp với một phạm vi rộng các tỉ lệ dịch vụ và các yêu cầu QoS, trong khi đó việc cực đại thông lượng mạng không liên quan đến sự thay đổi về lưu lượng

- Các mạng di động không đồng nhất:

Việc định tuyến các gói tin có quan hệ với nhau để kết nối chuyển giao giữa các vùng Các thuật toán định tuyến truyền thống không xem xét đầy đủ khoảng thời gian có thể cho việc truy cập bởi các thiết bị đầu cuối trong suốt quá trình xử lý chuyển giao Đó

là mong muốn để tạo ra các thuật toán định tuyến mới có thể duy trì hiệu suất end-to-end

với những cân nhắc đầy đủ về quá trình bàn giao trong mạng không đồng nhất Như vậy việc hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực là đặc biệt quan trọng trong mạng như là qua giọng nói IP (VoIP), truyền video, …

- Vấn đề an ninh cho mạng không dây:

+ Việc sử dụng các tài nguyên không dây cho các ứng dụng an ninh: Thách thức đặt ra ở đây là làm sao để sử dụng các tài nguyên đang tồn tại trong các mạng không dây

hỗ trợ ứng dụng liên quan tới an ninh Ví dụ Radar tự động và màn hình giám sát dựa trên mệnh lệnh

+ Kỹ thuật bảo mật cho các mạng không dây: Các vấn đề chính được xác định cho việc thiết kế của các hệ thống như là: tính tỉ lệ, độ phức tạp và hiệu quả; độ vững chắc; các kỹ thuật an ninh mạng cho các mạng không dây; và các kỹ thuật riêng biệt cho việc thiết kế an ninh trong mạng ad-hoc (hoặc MANET) và các mạng điểm tới điểm

Tuy nhiên, với các đặc tính thế mạnh của các mạng hình lưới không dây WMN như tính tự cấu hình, tự tổ chức nhằm tạo ra các hình thái tùy biến để duy trì kết nối Các ứng dụng của WMN có thể tạo ra miền ứng dụng rộng rãi như: mạng truy nhập băng rộng, mạng cộng đồng, mạng doanh nghiệp, hỗ trợ các hệ thống an ninh, y tế… Với các đặc điểm riêng của công nghệ WiFi, mạng WMN còn gặp nhiều thách thức cần phải vượt qua, một trong các vấn đề đó còn là vấn đề kết nối, mở rộng mạng để tạo ra nhiều ứng dụng rộng

Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN

Nhiều vấn đề nghiên cứu vẫn còn mở trong WMNs [2] Trong đó, bài toán đặt gateway là một trong những thách thức lớn nhất và cũng là một bài toán quan trọng Có một vài kết quả nghiên cứu tương tự trong mạng có dây và mạng tế bào Ví dụ, một số nghiên cứu được thực hiện để đặt các Web proxy hoặc các server đệm để tối ưu hiệu năng của các client [3, 4, 5] Một ví dụ khác là bài toán đặt các trạm trong các mạng tế bào [6, 7, 8] Tuy nhiên, khi các liên kết không dây thay thế các liên kết có dây và sự truyền tin đa bước thay thế cho truyền tin đơn bước, một kế hoạch mô hình hóa lưu lượng bao trùm toàn diện hơn được yêu cầu để giải quyết bài toán đặt các node trong mạng lõi trong mạng không dây đa bước Gần đây hơn, Bejerano [9] đã nghiên cứu việc đặt gateway trong mạng không dây đa bước mà các node mạng được phân tách thành một số cluster rời rạc nhằm thỏa mãn sự ràng buộc về thông lượng và độ trễ Nhiều bài toán đặt gateway hoặc các node của mạng lõi được đề xuất cho WMNs [10~13] Tuy nhiên, tất cả những nghiên cứu trên đều tập trung vào sự liên lạc mạng của WMNs bằng cách triển khai cực tiểu số node trong mạng lõi

Thông lượng là một trong những tham số then chốt nhất đảm bảo các dịch vụ của WMNs đáp ứng yêu cầu của khách hàng Không giống tất cả những nghiên cứu trên, trong luận văn này, cho trước một số gateway nhất định, chúng tôi nhắm đến việc phát triển một thuật toán đặt gateway để nâng cao hiệu năng thông lượng của WMNs Một bài toán tương tự đã được nghiên cứu bởi Fan Li và các đồng nghiệp trong [14], tuy nhiên, trong nghiên cứu của họ, vị trí các gateway được cố định trước hoặc được tìm kiếm một cách “gượng ép” trên một lưới được chọn trước Nhu cầu lưu lượng không đồng nhất cũng không được nghiên cứu Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi Ping Zhou, Xudong Wang, B S Manoj và Ramesh Rao trong [15], tuy nhiên thuật toán đưa ra chưa

có sự tối ưu theo từng bước, các gateway được đặt một cách tuần tự, nên vị trí của các

gateway trước có ảnh hưởng đến vị trí của các gateway đặt sau Trong luận văn này, vị trí các gateway được tìm kiếm theo thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) Các vị trí được sinh ngẫu nhiên và độc lập, được cập nhật từng bước theo những phương thức tốt nhất nên nhanh chóng tìm được kết quả tối ưu hơn hẳn cho bài toán

CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY

Giới thiệu

Để phát triển một thuật toán đặt gateway hướng thông lượng, một độ đo hiệu năng được sử dụng gọi là Multi-hop Traffic-flow weight (MTW) [15] để tính toán những nhân

tố chính ảnh hưởng đến thông lượng của WMNs Những nhân tố đó bao gồm số router,

số client, và số gateway cũng như nhu cầu băng thông từ các client, vị trí của các gateway

và ảnh hưởng giữa chúng Dựa trên MTW, một thuật toán tương tác được đề xuất để xác định vị trí tốt nhất của một gateway Mỗi lần một gateway được chọn đặt tại một router sẽ

có MTW cao nhất

Để đánh giá hiệu năng của kế hoạch đặt gateway dựa trên MTW, cần xây dựng một mô hình tính thông lượng Tuy nhiên, việc phân tích thông lượng của các mạng không dây là một chủ đề nghiên cứu có thách thức rất lớn Khả năng thông lượng của các mạng không dây đa bước được nghiên cứu bởi nhiều tác giả Gupta và Kumar [16, 17] đã xây dựng khả năng thông lượng cho mỗi node cho các mạng ad hoc tĩnh Khả năng thông lượng của các mạng ad hoc di động được phân tích bởi Grossglauser và Tse [18] Khả năng của các mạng ad hoc lai được nghiên cứu trong [19, 20, 21] Tất cả các kết quả nghiên cứu về phân tích thông lượng không thể áp dụng trong WMNs, bởi vì kiến trúc mạng WMNs khác nhiều so với các mạng ad hoc thông thường hoặc mạng ad hoc lai Việc phân tích tiệm cận trong khả năng của WMNs đã được bắt đầu trong [22], ở đó các kết quả thông lượng tiệm cận đạt được bằng cách giả sử rằng kích thước của mạng tiến đến vô cùng Vì các mạng thực luôn luôn có kích thước giới hạn, những kết quả tiệm cận này cung cấp thông tin rất hạn chế cho việc thiết kế mạng thực Do đó, trong việc làm này một mô hình phân tích không tiệm cận được đưa ra để tính toán thông lượng của WMNs Việc lập lịch TDMA được giả định điều phối việc truyền các packet trong các client, các router và các gateway

Các kết quả số dựa trên mô hình tính toán thông lượng chỉ ra rằng thuật toán đặt gateway theo MTW trong [15] cải tiến đáng kể hiệu năng thông lượng của WMNs Các nghiên cứu so sánh cũng được thực hiện để so sánh kế hoạch được đề xuất với các kế hoạch khác như đặt ngẫu nhiên, đặt theo quy luật và đặt router bận nhất Các kết quả thu được chứng tỏ rằng thuật toán đặt gateway theo MTW đã đưa ra một phương phát đặt gateway tốt hơn hẳn những phương pháp trước đây

Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán

2.1 Topology mạng

Một mô hình WMN điển hình cho việc truy cập Internet được đề xuất như dưới

đây và được minh họa trong hình 5 N c client được giả định được phân phối trong một

hình vuông R=[0,l]2 R được phân tách thành (l/l s ) 2 tế bào nhỏ R j s = [0,l s]2 (j=1…(l/l s ) 2 ),

và một router được đặt tại trung tâm của mỗi tế bào Đặt N r là số router, thì N r = (l/l s ) 2

Dưới đây chúng ta sẽ giới hạn trong trường hợp 1< N r < N c , có nhiều hơn 1 router và số

router ít hơn số client Các router tạo thành một mạng lõi không dây cung cấp một cơ sở

hạ tầng không dây cho các client Trong mỗi tế bào, các client được kết nối đến router theo mô hình hình sao, không có kết nối trực tiếp giữa các client, và router làm việc như một hub cho các client Chẳng hạn WMN được đề cập như là một cơ sở hạ tầng WMN trong [2], được mong đợi sẽ trở nên phổ biến trong các ứng dụng WMN tương lai Giữa

tất cả các router, có N g router được nối dây với Internet, làm việc như là gateway Hiển

nhiên là 1 N g N r , số gateway không thể vượt quá số router Việc chọn các topo

là lưới vuông vì những nghiên cứu hiện tại trong sự triển khai các vấn đề [23] đã chỉ ra rằng các topo lưới vuông thiết thực hơn trong việc xây dựng hiệu năng mạng mong muốn

Router có chức năng gateway

Router không có chức năng gateway

 Client

Hình 5: Topo của một mạng WMN có các gateway

Mỗi client vừa là một nguồn vừa là một đích trong việc truyền dữ liệu Tất cả các client là tương đương nhau để chúng luôn luôn có cùng số gói tin gửi và nhận trong cùng một khoảng thời gian Không giống các client, các router không phải nguồn, cũng không phải đích trong việc truyền dữ liệu, chúng chỉ định tuyến và đẩy dữ liệu cho các client Tất cả lưu lượng được giả định đi qua các gateway Mỗi router được gắn với một gateway gần nhất để truyền và nhận các gói tin Giả thiết việc định tuyến đường đi ngắn nhất được

áp dụng, gateway gần nhất của một router là gateway mà router có thể truy cập với số bước ít nhất Trong trường hợp một router có nhiều hơn một gateway gần nhất, nó sẽ tải lưu lượng của nó đến tất cả các gateway đó theo vòng robin Một client được gọi là gắn với một gateway nếu router được nó kết nối đến cũng gắn với một gateway Do đó, lưu lượng tải của một client cũng sẽ được chia sẻ đến tất cả những gateway có tiềm năng gắn kết

Dưới đây là những định nghĩa về truyền thông sẽ thường xuyên được sử dụng:

 Truyền thông cục bộ: là truyền thông giữa một router và một client

 Truyền thông lõi: là truyền thông giữa các router, bao gồm cả truyền thông

giữa một gateway và một router

 Truyền thông downlink: là truyền thông từ một gateway đến một client,

trong đó một gói tin dữ liệu đầu tiên được trung chuyển qua các router theo truyền thông lõi, và sau đó được gửi bởi một router đến các client kết nối trực tiếp với nó

 Truyền thông Uplink: là truyền thông từ một client lên một gateway Trong

đó gói tin dữ liệu được gửi chính xác theo hướng ngược lại trong truyền thông downlink

2.2 Mô hình truyền

Để chi tiết thêm kế hoạch đặt gateway mới và tính toán thông lượng của nó, một

mô hình truyền được chỉ định như dưới đây

Mỗi router được trang bị 2 giao diện radio: một truyền với tốc độ W 1 bits/s cho

truyền thông lõi và một truyền với tốc độ W 2 bits/s trong truyền thông cục bộ Mỗi client

truyền với tốc độ W 2 bits/s trong truyền thông cục bộ Chúng ta giả thiết rằng W 1 và W 2 là

trực giao để truyền thông cục bộ không bị nhiễu bởi truyền thông lõi Cần chú ý rằng hai giao diện radio của router có thể là hai giao diện raido vật lí, cũng có thể là hai giao diện radio ảo Sau đây, mỗi router chỉ một giao diện radio vật lí để giả lập 2 giao diện ảo cho việc truyền thông lõi và cục bộ vào các khe thời gian khác nhau

Hơn thế nữa, các router có thể nhận gói tin từ chỉ một bộ truyền tại một thời điểm Ràng buộc tương tự cũng được áp đặt cho các client Truyền và nhận có thể xảy ra trong

Time division duplex (TDD) hoặc Frequency division duplex (FDD) phụ thuộc vào cách

mà tầng vật lí và tầng MAC thực hiện

Trong truyền cục bộ hoặc truyền lõi, việc truyền đồng thời được điều phối bởi Mô

hình Giao thức được định nghĩa trong [16], nếu một phiên truyền từ node S i đến S j thành

công thì những điều kiện dưới đây phải được thỏa mãn:

1 | S i - S j | r i ;

2 Với mỗi node truyền S k khác, | S k - S j | (1+ )r k

Trong đó r i và r k lần lượt tương ứng với dải truyền của node S i và S k, và là một hằng số được xác định chắc chắn để biểu diễn vùng bảo vệ trong mô hình giao thức

2.3 Thông lượng

Để đánh giá hiệu năng của các thuật toán đặt gateway, tổng thông lượng và thông lượng cho mỗi client trong trường hợp xấu nhất cần được xây dựng Trong phầnnày, các bài toán về cực đại thông lượng được công thức hóa, dẫn đến cần định nghĩa 2 metric thông lượng Nền tảng thực sự của việc tính toán giá trị không tiệm cận của những metric thông lượng này sẽ được đưa ra trong mục IV

Bài toán 1: Tối ưu việc đặt gateway để cực đại tổng thông lượng của WMNs,

trong mô hình WMN ở trên, cho N c , N r , N g , W 1 , W 2 và sự phân phối của router, sự phân

phối của client, sự truyền, việc lập lịch và các giao thức định tuyến, N g gateway được

chọn trong số N r router để

đạt cực đại, trong đó là thông lượng cho mỗi client của client thứ i khi

N g gateway được triển khai

Bài toán 2: Tối ưu việc đặt gateway để cực đại thông lượng của mỗi client trong

trường hợp xấu nhất trong WMN, trong mô hình WMN ở trên, cho N c , N r , N g , W 1 , W 2

và sự phân phối của router, sự phân phối của client, sự truyền, việc lập lịch và các giao

thức định tuyến, N g gateway được chọn trong số N r router để

đạt cực đại

Đặt Gateway theo trọng số Multi-Hop Traffic-Flow Weight (MTW)

Việc thêm các gateway có thể làm tăng thông lượng trong truyền thông lõi bằng cách giảm một cách hiệu quả số bước trung bình đề mỗi client có thể truy nhập đến gateway và tải lưu lượng trên các gateway đó Tuy nhiên, những lợi ích trên có thể bị giảm đột ngột nếu đặt gateway không phù hợp, do các gateway mới có thể gây nhiễu nhiều hơn các gateway đang tồn tại Do đó, thuật toán đặt gateway tốt nhất nên không chỉ cải thiện lưu lượng tải của mạng mà còn cần phải giảm thiểu nhiễu

Nhìn chung, kế hoạch đặt gateway phải phù hợp với số gateway được triển khai

Số gateway được triển khai nhỏ thì số bước để gói tin đến được gateway lớn, và lưu lượng tải tại mỗi gateway cũng cao Do đó, các thuật toán đặt cân bằng hình học, đặt theo quy luật có thể đạt được các kết quả khá tốt do chúng có thể giảm một cách hiệu quả số bước trung bình Trong trường hợp ngược lại, khi số gateway được triển khai lớn, việc đặt gateway trong các vùng chiếm hầu hết lưu lượng tải có thể là giải pháp tốt nhất

Trong phần này, một thuật toán đặt gateway mới được giới thiệu Nó nắm giữ tất

cả những những lợi ích được đề cập ở trên Trong thuật toán, một trọng số dòng lưu

lượng kí hiệu là MTW(j) được tính lặp trên router R j

, j=1…N r Mỗi lần một gateway mới

sẽ được đặt trên router có trọng số cao nhất Việc tính toán trọng số phải phù hợp với những yếu tố dưới đây:

1 Số router N r và số gateway N g

2 Nhu cầu traffic từ các client

3 Vị trí của các gateway đang tồn tại trong mạng

4 Nhiễu từ các gateway đang tồn tại

Các yếu tố 1 đến 3 trong MTW sẽ được thảo luận trong phần 3.1, và mối quan hệ giữa nhân tố 4 với MTW dựa trên thuật toán đặt gateway sẽ được giải thích trong khi xây dựng MTW trong phần 3.1 và 3.2

3.1 MTW

Bước đầu thuật toán đưa ra một biến kí hiệu R g gọi là bán kính của gateway R g là

số bước từ gateway đến router xa nhất của nó Trong luận văn này, công thức (1) được sử

dụng để định lượng R g :

(1)

Lý do căn bản của công thức này có thể được giải thích như sau Xét một hình

vuông được chia đều thành N r ô và N g ô, sau đó vẽ một đường thẳng cắt ngang hình

vuông, theo thống kê đường thẳng đó sẽ gặp và ô Với mỗi N g -ô, đường thẳng

sẽ cắt N r -ô Do đó, nết một gateway được đặt tại trung tâm của N g -ô và một router

được đặt tại trung tâm của N r -ô, chúng ta sẽ ước lượng rằng một gateway cần /2

bước để đến router xa nhất của nó Cần chú ý rằng, công thức (1) chỉ cung cấp một định

lượng, không phải luôn luôn đúng cho mọi sự kết hợp của N r và N g

Bước hai, nhu cầu lưu lượng cục bộ trên mỗi router, kí hiệu là D(j), j=1… N r được

tính như sau: Nếu D(j) là nhu cầu lưu lượng thực sự của tất cả các client kết nối đến R j

và

tất cả các client đó được giả thiết là tương đương nhau trong mô hình WMN của chúng

ta, D(j) có thể được biểu diễn bởi số client kết nối đến R j Hình 6(a) thể hiện một ví dụ

của D(j) với 200 client được phân phối đều và 25 router được đặt trong một lưới vuông

8 8 8 4 10 160 206 212 202 165

Hình 6: Một ví dụ về Multi-hop Traffic-Flow Weight

Bước ba, MTW(j) được tính với D(j) và R g như sau:

MTW(j)=( R g +1)× D(j)

+R g ×(nhu cầu lưu lượng từ tất cả các router R j cách gateway 1 bước)

+( R g -1)×(nhu cầu lưu lượng từ tất cả các router R j cách gateway 2 bước)

+( R g -2)×(nhu cầu lưu lượng từ tất cả các router R j cách gateway 3 bước)

+…

Với MTW(j), gateway đầu tiên sẽ được đặt tại router có trọng số cao nhất Một ví

dụ trong hình 3 thể hiện cách D(j) và R g được kết hợp để xác định vị trí gateway theo

MTW Trong ví dụ này, chỉ có một gateway được triển khai, vì thế N g = 1 Từ (1), chúng

ta có R g = 3 Do đó, dựa trên D(j) trong hình 6(a), MTW được tính như hình 6(b) Vì vậy,

gateway sẽ được đặt tại trung tâm của router của WMN có trọng số MTW cao nhất

Nếu có nhiều hơn một gateway được đặt, ta cần thêm hai bước sau Đầu tiên, D(j),

j=1… N r sẽ được điều chỉnh lại với R g Giả thiết rằng gateway được đặt tại R j

, giá trị nhu

cầu lưu lượng của R j

và tất cả các hàng xóm của nó trong phạm vi ( R g -1) bước được đặt

là 0, và giá trị của các hàng xóm cách R j R g bước được giảm đi một nửa Theo cách này, gateway khác sẽ được đặt ở một vị trí không gần với gateway đang tồn tại Thứ hai, nhiễu giữa các gateway sẽ được tính trong việc tính MTW, như được thảo luận của phần tiếp theo

3.2 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway

Hai gateway ảnh hưởng lẫn nhau nếu chúng cách nhau IntD – bước IntD được định nghĩa là khoảng cách ảnh hưởng của các gateway Các gateway ảnh hưởng phải

chia sẻ cùng kênh truyền không dây trong truyền thông lõi Một thuật toán được phát triển trong phần này để xây dựng các chia sẻ hiệu quả giữa các gateway Thuật toán giữ hai thuộc tính riêng biệt:

1) Sự công bằng đầy đủ giữa các gateway sẽ được đảm bảo;

2) Với điều kiện 1), hiệu quả của mỗi gateway sẽ được cực đại