Phân tích và đánh giá hiệu năng hoạt động của một số giao thức định tuyến reactive trong mạng không dây AD HOC

Các thiết bị như vậy có thể giao tiếp với tất cả thiết bị mạng khác ngay lậptức trong dải vô tuyến chính là vùng phủ sóng, phạm vi mà thiết bị mạng đó nhậnbiết được, hay một thiết bị vô

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng cũng như công nghệ củacác thiết bị di động kéo theo nhu cầu của người sử dụng công nghệ không dâyngày càng cao và đa dạng.Vì vậy để đáp ứng được xu thế đó, mạng thông tinkhông dây ngày nay phải gánh vác trọng trách lớn hơn là giải quyết vấn đề về lưulượng đa phương tiện, tốc độ cao, chất lượng ngày càng phải tốt hơn

Nhờ sự chỉ đạo của khoa đã giúp em có điều kiện để tiếp cận với một trongnhững kiểu mạng thông tin không dây linh hoạt, đáp ứng được nhu cầu đa dạngcủa người dùng đó là mạng không dây ad hoc Mạng Ad hoc đó là tập hợp củahai hay nhiều thiết bị được trang bị khả năng nối mạng và truyền thông khôngdây Các thiết bị đó có thể giao tiếp với các nút mạng khác ngay lập tức trongvùng phủ sóng hay một thiết bị không dây khác ngoài bên ngoài với điều kiện cócác nút trung gian để chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích Giao thứcđịnh tuyến được sử dụng để khám phá tuyến giữa các nút giúp cho việc giao tiếptrong mạng dễ dàng hơn Mục đích chính của một giao thức định tuyến trongmạng Ad hoc là thiết lập tuyến đường chính xác và hiệu quả giữa các cặp nút.Giao thức định tuyến phải giảm lưu lượng điều khiển, đơn giản tính toán đườngđịnh tuyến Chính vì thế giao thức định tuyến đóng vai trò quan trọng trong vậnhành mạng Ad hoc

Tên đề tài: Phân tích và đánh giá hiệu năng hoạt động của một số giao thứcđịnh tuyến reactive trong mạng không dây Ad hoc Đề tài đưa ra tổng quan vềmạng ad hoc, phân tích và đánh giá hiệu năng hoạt động của một số giao thứcđịnh tuyến reactive trong mạng không dây Ad hoc

Do thời gian cũng như trình độ còn hạn chế, đề tài không tránh khỏi nhữngthiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp

Đề tài gồm 3 chương:

 Chương 1: Tổng quan về mạng Ad hocvà vấn đề đánh giá hiệu năng mạng

 Chương 2: Hoạt động của một số giao thức định tuyến theo yêu cầu

 Chương 3: Xây dựng kịch bản mô phỏng đánh giá hiệu năng của hai giaothức AODV và DSR

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2011

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

DANH MỤC BẢNG 7

DANH MỤC HÌNH 8

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC VÀ VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG 11

1.1 Tổng quan về mạng AD HOC 11

1.1.1 Mở đầu 11

1.1.2 Khái niệm 11

1.1.3 Đặc điểm 13

1.1.4 Ứng dụng 14

1.1.5 Phân loại mạng ad hoc 17

1.2 Lý thuyết đánh giá hiệu năng mạng 20

1.2.1 Khái niệm đánh giá hiệu năng mạng 20

1.2.2 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng 20

1.2.3 Các thông số đánh giá hiệu năng mạng 21

1.3 Giới thiệu chung về NS-2 23

1.3.1 Tổng quan về NS-2 23

1.3.2 Các thành phần của NS-2 23

CHƯƠNG 2: HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO YÊU CẦU 35

2.1 Tổng quan về định tuyến trong mạng ad hoc 35

2.1.1 Tổng quan 35

2.2 Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu 39

2.2.1 Giao thức định tuyến nguồn động (DSR) 40

2.2.2 Định tuyến vector cự ly theo yêu cầu tuỳ biến (AODV) 44

2.2.3 Thuật toán định tuyến theo thứ tự tạm thời (TORA) 51

2.3 Tổng kết 52

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG KỊCH BẢN MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HAI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV VÀ DSR 53

3.1 Các bước cơ bản của một kịch bản mô phỏng NS-2 53

3.2 Vấn đề trong mô phỏng mạng và đánh giá hiệu năng cho hai giao thức AODV và DSR 55

3.2.1 Thông số sử dụng để đánh giá hiệu năng hoạt động hai giao thức AODV và DSR 55

3.2.2 Cách thức phân tích kết quả mô phỏng của NS-2 55

+ Xử lý file dữ liệu với công cụ awk 59

+ Vẽ đồ thị với xgraph 60

3.2.3 Các kịch bản mô phỏng cho 2 giao thức AODV và DSR 60

3.3 Kịch bản đánh giá hiệu năng 61

3.3.1 Thiết lập tô-pô mạng 61

3.3.2 Mô phỏng và phân tích kết quả 63

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Cấu trúc tệp vết………57Bảng 2: Các trường thêm vào cấu trúc tệp vết phụ thuộc vào kiểu gói tin….58

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Một mạng ad hoc đơn giản với 3 host di động không dây 12

Hình 1.2: Mô hình mô tả một mạng Ad hoc trong thực tế 12

Hình 1.3: Ứng dụng trong các hội nghị 15

Hình 1.4: Ứng dụng cho home networking 15

Hình 1.5: Ứng dụng cho mạng cá nhân 16

Hình 1.6: Ứng dụng cho mạng xe cộ 16

Hình 1.7: Định tuyến Single-hop 17

Hình 1.8: Định tuyến Multi - hop 18

Hình 1.9: Mô hình mạng phân cấp 19

Hình 1.10: Mô hình mạng kết hợp 19

Hình 1.11: Kênh truyền đơn 27

Hình 1.12: Ví dụ về một mạng đơn giản 28

Hình 1.13: Bám các đối tượng trong một kênh truyền đơn công 33

Hình 1.14: Các trường xuất hiện trong 1 trace 34

Hình 2.1: Hệ tọa độ cơ bản mô tả môi trường mạng Ad Hoc 36

Hình 2.2: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc 37

Hình 2.3: Mô tả cơ chế hoạt động của định tuyến nguồn động (DSR) 40

Hình 2.4: Khám phá tuyến trong DSR 41

Hình 2.5: Duy trì tuyến 44

Hình 2.6: Quá trình khám phá tuyến trong AODV 45

Hình 2.7: Thiết lập tuyến đường đi ngược 48

Hình 2.8: Thiết lập tuyến đường thuận 49

Hình 3.1: Hình ảnh của topo mạng trong NAM 62

Hình 3.2: Thông lượng mạng qua giao thức AODV trong 100s với 30 nút 63

Hình 3.3: Thông lượng mạng qua giao thức AODV trong 100s với 50 nút 64

Hình 3.4: Thông lượng mạng qua AODV trong 100s với 50 nút và 30 nút 64

Hình 3.5: Thông lượng mạng qua giao thức DSR với 30 nút 65

Hình 3.6: Thông lượng mạng qua giao thức DSR với 50 nút 66

Hình 3.8: Thông lượng mạng của 2 giao thức AODV và DSR 67

Hình 3.9: Số gói tin overhead của AODV trong 150s với 30 nút 68

Hình 3.10: Số gói tin overhead của AODV trong 150s với 50 nút 68

Hình 3.11: Số gói tin overhead của AODV khi thay đổi số nút mạng 69

Hình 3.12: Số gói tin overhead của DSR trong 150s với 30 nút 70

Hình 3.12: Số gói tin overhead của DSR trong 150s với 50 nút 70

Hình 3.12: Số gói tin overhead của DSR khi thay đổi số nút 71

Hình 3.13: Số gói tin overhead của DSR và AODV trong 150s và 50 nút 72

Hình 3.14: Số gói tin bị mất của AODV và DSR trong 150s……….73

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ABR Associativity-Based Routing

AODV Ad Hoc On-Demand Distance Vector

DSDV Destination sequenced distance vector

IEEE Institute of electrical and electronics engineers

OLSR Optimized Link State Routing

PDA Personal digital assistant

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC VÀ

VẤN ĐỀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG

1.1 Tổng quan về mạng AD HOC

1.1.1 Mở đầu

Mạng máy tính từ lâu đã trở thành một phần không thể thiếu đối với nhiềulĩnh vực đời sống xã hội, từ các hệ thống mạng cục bộ đến hệ thống mạng toàncầu như Internet Mạng máy tính đưa mọi người trên thế giới đến gần nhau hơn,mỗi người được tiếp cận với một nguồn thông tin, tri thức phong phú

Xã hội phát triển, con người vận động không ngừng, một người kết nối vàomạng bằng cáp vật lý thì việc di chuyển của họ bị hạn chế, nhu cầu đặt ra là vừakết nối vừa có thể di chuyển và có thể kết nối bất cứ đâu một cách đơn giản.Chính nhu cầu này đã kích thích ngành công nghiệp mạng không dây tiềm năngphát triển mạnh mẽ

Mạng Ad hoc là một kiểu mạng không dây rất linh hoạt Đó là tập hợp củahai hay nhiều thiết bị được trang bị khả năng nối mạng và truyền thông khôngdây Các thiết bị như vậy có thể giao tiếp với tất cả thiết bị mạng khác ngay lậptức trong dải vô tuyến chính là vùng phủ sóng, phạm vi mà thiết bị mạng đó nhậnbiết được, hay một thiết bị vô tuyến khác nằm ngoài dải vô tuyến của chúng vớiđiều kiện có các node trung gian để chuyển tiếp thông tin từ node nguồn đếnnode đích Thiết bị hỗ trợ mạng Ad hoc đa dạng và sử dụng khá phổ biến nhưlaptop, điện thoại di động Internet Vì có nhiều ưu thế vượt trội và những tháchthức cần giải quyết, ngày nay mạng Ad hoc đã và đang được nghiên cứu triểnkhai thành công ở một số nước mà phổ biến là Mỹ Mạng Ad hoc đặc biệt hữuích trong các ứng dụng như khắc phục thảm họa thiên nhiên, quốc phòng, y tế,hội nghị nên có xu hướng ứng dụng rộng rãi trên thế giới

1.1.2 Khái niệm

Mạng Ad hoc là tổ hợp của các node di động được kết nối với nhau bằngcác liên kết không dây, các node tự do di chuyển nên kiến trúc mạng có thể thay

giao tiếp với các node mạng khác thông qua sóng vô tuyến hoặc hồng ngoại Cácmạng này không dùng bất cứ sự hỗ trợ cơ sở hạ tầng mạng cố định hay chịu sựquản lí tập trung nào Đây là một đặc điểm riêng biệt của mạng Ad hoc so vớicác mạng không dây truyền thống như mạng chia ô, mạng WLAN, trong đó cácnode liên lạc với nhau thông qua trạm vô tuyến cơ sở.

Nếu chỉ có 2 máy nằm chặt chẽ với nhau, đều tham gia vào mạng Ad hoc,không có giao thức định tuyến thực sự hoặc quyết định định tuyến là cần thiết.Trong nhiều mạng ad hoc, mặc dù 2 host muốn truyền thông không nằm trongphạm vi truyền dẫn không dây của mỗi máy nhưng chúng có thể truyền thôngnếu các host khác giữa chúng cũng tham gia vào mạng ad hoc sẵn sàng đểchuyển tiếp các gói tin cho chúng Ví dụ trong mạng minh họa hình 1.1 host diđộng C không nằm trong phạm vi truyền dữ liệu của host không dây A(chỉ ra bởivòng tròn xung quanh A) và host A không nằm trong phạm vi của host C Trongtrường hợp này nếu A và C muốn trao đổi các gói tin, chúng có thể tranh thủ dịch

vụ của host B để B chuyển tiếp các gói tin cho chúng vì B nằm trong phạm vichồng chéo giữa phạm vi của A và C

Hình 1.1: Một mạng ad hoc đơn giản với 3 host di động không dây

Hình 1.2: Mô hình mô tả một mạng Ad hoc trong thực tế

Trong Ad hoc không tồn tại khái niệm quản lý tập trung, nó đảm bảomạng sẽ không bị sập vì trường hợp nút mạng di chuyển ra ngoài khoảng truyềndẫn của các nút mạng khác Nút mạng có thể ra vào bất cứ lúc nào Do khoảngtruyền dẫn của nút mạng là hạn chế nên chúng trao đổi thông tin bằng phươngpháp truyền gói tin qua nhiều bước (Multihops) Để làm được điều này, thì tất cảcác nút mạng phải có khả năng chuyển tiếp gói tin đến nút mạng khác, do vậy tất

cả các nút mạng trong Ad hoc có thể hoạt động như máy trạm và router Nên nútmạng có thể bao gồm một router và một máy trạm liên kết với nhau Một routerthực hiện các giao thức định tuyến, máy trạm di động có địa chỉ IP

Ad hoc cũng có khả năng thực hiện thay đổi về cấu hình mạng và khắc phục

sự cố của nút mạng thông qua thủ tục cấu hình lại mạng Ví dụ: Nếu nút mạng rờikhỏi mạng sẽ gây ra sự cố liên kết, nút mạng bị ảnh hưởng có thể yêu cầu đườngđịnh tuyến mới và vấn đề sẽ được giải quyết Điều này sẽ gây ra trễ trên mạng,tuy nhiên với người sử dụng Ad hoc vẫn hoạt động bình thường

Ad hoc có nhiều ưu điểm của mạng truyền thông vô tuyến thông thường,liên kết giữa các nút mạng được hình thành ngay khi chúng nằm trong khoảngtruyền dẫn của nhau

1.1.3 Đặc điểm

a Một số đặc điểm chính của mạng Ad hoc:

- Mỗi máy chủ không chỉ đóng vai trò là một hệ thống cuối cùng mà cònhoạt động như một hệ thống trung gian, không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng

- Mọi nút mạng đều có khả năng di động

- Topo mạng thay đổi theo thời gian

- Các nút di động sử dụng nguồn năng lượng pin và bộ nhớ có hạn

- Băng thông trong thông tin vô tuyến hẹp, bị giới hạn về khả năng của CPU

- Chất lượng kênh luôn thay đổi

- Không có thực thể tập trung , nói cách khác là mạng phân bố

Ad hoc thường được mô tả có cấu trúc mạng thay đổi do sự thay đổi vị trícủa các nút mạng Các giao thức định tuyến có cơ chế tự phát hiện các thay đổi

về định tuyến thông qua các thuật toán định tuyến thông thường như vector

khoảng cách và trạng thái các liên kết Khi năng lượng sử dụng bị giới hạn kéotheo giới hạn về khả năng truyền dẫn Sử dụng phương pháp định tuyến nhiềubước thì các nút mạng có thể tiết kiệm được năng lượng phát ra.

b Những thách thức trong mạng ad hoc

- Chi phí cho việc sử dụng phổ tần số

- Việc định tuyến

- Hiệu quả sử dụng nguồn điện

- Giao thức điều khiển truyền

- Định vị cung cấp và truy nhập dịch vụ

1.1.4 Ứng dụng

Ad hoc được ứng dụng cho hội thảo, ứng dụng trong quân sự Nó cũngđược sử dụng cho trường hợp triển khai cơ sở hạ tầng mạng là khó khăn

a Dịch vụ khẩn cấp

Bất kỳ đâu khi có trường hợp khẩn cẩp xảy ra đều cần có sự kết hợp của cácnhân viên cứu hộ Giải pháp thông thường là dùng thiết bị vô tuyến Tuy nhiên,khi cơ sở hạ tầng bị hỏng hoặc không còn hoạt động thì giải pháp là gì? Ad hocchính là câu trả lời nhanh nhất và phù hợp nhất Điều này có thể không có ýnghĩa với khu vực tổn thất nhỏ, tuy nhiên với thảm họa thiên nhiên có khu vựcảnh hưởng tàn phá rộng lớn, việc liên lạc rất quan trọng nên Ad hoc trở thànhgiải pháp hữu ích

b Hội nghị

Trong hội nghị, hội thảo cần trao đổi thông tin giữa các đại biểu hoặc vớihội nghị khác Đây là một nhu cầu lớn trong thời đại phát triển nhanh về thôngtin như hiện nay, khi mà giải pháp home network chưa thật sự sẵn sàng Giảipháp hiện tại là sử dụng các mạng có sẵn cho các đại biểu tham dự tuy nhiên nó

có độ trễ lớn, ví dụ giải pháp Mobile IP Và Ad hoc là giải pháp chiếm ưu thế

Hình 1.3: Ứng dụng trong các hội nghị

Hình 1.4: Ứng dụng cho home networking

Hình 1.5: Ứng dụng cho mạng cá nhân

e Hệ thống nhúng (embeded system)

Ngày càng có nhiều máy móc cần kết nối với những vật xung quanh kéotheo nhu cầu của Ad hoc Nó có thể là đồ chơi có khả năng kết nối mạng, tươngtác được với home network để tìm kiếm dữ liệu trên internet hoặc có thể kết nốivới điện thoại, có thể điều chỉnh volume của TV khi có cuộc gọi đến đáp ứngnhiều nhu cầu của người sử dụng

f Mạng xe cộ (vehicular network)

VANET (Vehicular Ad Hoc Network) gọi là mạng xe cộ Ad hoc, là hệthống mạng không cần cơ sở hạ tầng, được tạo thành từ các phương tiện xe cộlưu thông trên đường Chúng được trang bị thiết bị thu phát để có thể liên lạc,chia sẻ và trao đổi thông tin với nhau giống như một nút trong mạng Ad hoc.Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ,tình trạng kẹt xe, tai nạn giao thông, nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụthông thường như dịch vụ đa phương tiện, internet

g Mạng cảm biến (sensor network)

Mạng cảm biến không dây là một ứng dụng điển hình của Ad hoc Hiện nay

đã có những quan tâm đáng kể cho sự phát triển kiểu mạng này,chủ yếu là trongquân sự, công an, tình báo, khảo cổ học, nghiên cứu địa lý Các bộ cảm biến cóthể có kích thước nhỏ nhưng khả năng truyền thông và lưu trữ tương đối tốt.Trong quân sự đã dùng những máy móc hiện đại nhưng kích cỡ gần như hạt bụinên đối phương rất khó phát hiện và phá hủy chúng

Trong lĩnh vực y tế, các bộ cảm biến cho phép giám sát liên tục thông tintiêu chuẩn về sự sống Trong công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhịp cảm biến được

áp dụng để giám sát chất lượng có thể giúp ngăn ngừa các sản phẩm không đạtyêu cầu nên tăng mức thỏa mãn cho khách hàng Trong nông nghiệp, các bộ cảmbiến có thể giúp xác định chất lượng đất trồng và độ ẩm, chúng cũng có thể pháthiện các hợp chất khác Ngoài ra, các bộ cảm biến cũng được sử dụng rộng rãitrong thông tin thời tiết và môi trường

1.1.5 Phân loại mạng ad hoc

a Theo cách thức định tuyến

+ Signal-hop:

Mạng Manet định tuyến singal-hop là loại mô hình mạng ad-hoc đơn giảnnhất Trong đó, tất cả các node đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng, nghĩa làcác node có thể kết nối trực tiếp với nhau mà không cần các node trung gian

Mô hình này các node có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vinhất định đủ để các node liên kết trực tiếp với các node khác trong mạng

Hình 1.7: Định tuyến Single-hop

+ Multi-hop:

Đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng ad hoc, nó khác với mô hình trước

là các node có thể kết nối với các node khác trong mạng mà có thể không cầnkết nối trực tiếp với nhau Các node có thể định tuyến với các node khác thôngqua các node trung gian trong mạng Để mô hình này hoạt động một cách hoànhảo thì cần phải có giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng ad hoc

Hình 1.8: 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

b Theo chức năng

+ Mạng Manet đẳng cấp

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 trênmạng Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hóa việc sử dụng tàinguyên 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

Mạng Manet phân cấp (Hierarchical) là mô hình mạng được sử dụng phổbiến nhất trong mạng Manet Mạng chia làm các vùng (domain), trong mỗi vùngbao gồm một hoặc nhiều nhóm (cluster) với mỗi nhóm bao gồm nhiều node.Trong mạng Manet phân câp node được chia thành 2 loại:

 Master node: Là node quản trị một nhóm và có nhiệm vụ chuyển dữ liệu

của các node trong nhóm đến các node trong các nhóm khác và ngượclại

 Normal node: Là các node nằm trong cùng một nhóm chỉ có thể kết nối

với các node trong cùng một nhóm Nếu node trong nhóm đó muốn kếtnối với các node trong các nhóm khác phải thông qua master node trongnhóm đó

Hình 1.9: Mô hình mạng phân cấp

+ Mạng Manet kết hợp

Mạng = Zones, Zone = nodes

Mỗi node bao gồm hai mức topo : Topo mức thấp ( node level ), vàtopo mức cao (zone level )

Mỗi node đặc trưng bởi: node ID và zone ID Trong một Zone có thể ápdụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp

Hình 1.10: Mô hình mạng kết hợp

1.2 Lý thuyết đánh giá hiệu năng mạng

1.2.1 Khái niệm đánh giá hiệu năng mạng

Đánh giá hiệu năng mạng là đánh giá tính hiệu quả và năng lực hoạt độngcủa hệ thống mạng trong những điều kiện cụ thể Như vậy, việc đánh giá hiệunăng mạng chính là tính toán và xác định hiệu quả, năng lực thực sự của hệ thốngtrong các điều kiện khác nhau và dựa trên hai hướng tiếp cận chính là: kiến trúcmạng và các kỹ thuật áp dụng trên kiến trúc mạng đó

Đánh giá hiệu năng là hoạt động nhằm mục đích dự báo hành vi của hệthống một cách có định lượng Khi một hệ thống được cấu hình lại hoặc điềuchỉnh về mặt cấu trúc thì việc đánh giá hiệu năng được sử dụng để đưa ra các dựđoán tác động của những thay đổi đó về mặt hiệu năng của hệ thống

Các điều kiện được sử dụng trong đánh giá hiệu năng mạng là rất quantrọng, chúng ảnh hưởng trực tiếp tới các kết quả thu được Trong các điều kiệnảnh hưởng tới quá trình đánh giá hiệu năng thì kịch bản mô tả là yếu tố then chốtquyết định giá trị hiệu năng, trong đó cần xác định các tham số đầu vào rõ ràngnhư các nút tham gia hệ thống, thiết bị kết nối, tác nhân tham gia, giao thức hoạtđộng, ứng dụng triển khai, thời gian thực hiện… Và rất nhiều yếu tố khác kết hợptạo ra một kịch bản hoàn thiện

1.2.2 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng

a Phương pháp toán học

Việc sử dụng các phương pháp toán trong tính toán hiệu năng mạng đãđược thực hiện từ lâu, trong đó các công cụ toán học đã được sử dụng rất linhhoạt và đa dạng như xác suất thống kê, đồ thị, quy hoạch, luồng, để giải quyếtnhiều vấn đề trong hiệu năng

− Ưu điểm chính của phương pháp toán học là có thể xác định các ngưỡnggiá trị của hệ thống qua việc xác định mối tương quan giữa các yếu tố trước khitồn tại hệ thống

− Nhưng khi áp dụng trong thực tế, việc mô tả đầy đủ các yếu tố đầu vàocho bài toán là cực kỳ khó khăn do vậy kết quả của phương pháp này còn nhiều

b Phương pháp đo thực tế

Sau khi hệ thống mạng đã được xây dựng, đây là một hệ thống tổng thểkết nối của các thiết bị với những công nghệ khác nhau do vậy việc đo đạc đểđưa ra 9 kết quả từ mô hình thật là rất quan trọng Khi thực hiện đo thực tế, người

đo phải xây dựng các kịch bản cần đo từ đó tạo ra những điều kiện giống với kịchbản thực tế và sử dụng các công cụ đo như phần mềm, thiết bị đo để thu nhận cáckết quả thực tế từ hoạt động của hệ thống theo kịch bản

Thông thường với phương pháp đo thực tế cho chúng ta kết quả với độchính xác rất cao, tuy nhiên việc đầu tư quá lớn trước khi biết kết quả hoạt độngnhiều khi gây ra sự lãng phí vì vậy giải pháp đo thực tế chỉ được sử dụng để giámsát hoạt động mạng Để đo được giá trị hiệu năng, quan trọng nhất là lấy thôngtin chính xác về hệ thống Hiện nay phổ biến có 3 phương pháp lấy thông tin sau:

− Truy vấn các nút mạng để lấy trực tiếp thông tin đang lưu trữ

− Theo dõi luồng thông tin thực tế trên hệ thống

− Xây dựng kịch bản với dữ liệu thử nghiệm để đo hệ thống

c Phương pháp mô phỏng

Để giảm sai số của phương pháp toán học, giảm chi phí đầu tư cho hệthống trước khi đo trong thực tế, phương pháp mô phỏng được sử dụng Việc môphỏng hệ thống đòi hỏi phải mô tả chính xác, chân thực tính năng, kỹ thuật, yếu

tố ràng buộc giữa các nhân tố tham gia và ảnh hưởng của môi trường tới hệ thốngtrong thực tế khi xây dựng Có hai phương pháp chính được sử dụng trong môphỏng hệ thống mạng là: mô phỏng thời gian thực và mô phỏng rời rạc Để môphỏng theo thời gian thực là rất khó do vậy phương pháp phổ biến hiện nay là môphỏng rời rạc tức là các sự kiện được xác định rõ ràng và có thời điểm mô tả trêntrục thời gian

1.2.3 Các thông số đánh giá hiệu năng mạng

Có rất nhiều thông số để đánh giá hiệu năng mạng Những thông số nàyrất quan trọng trong việc xem xét đánh giá của các giao thức định tuyến trongmột mạng Các giao thức này cần được kiểm tra với các thông số nhất định cho

hoạt động của nó Những thông số này có ảnh hưởng rất lớn trong việc lựa chọnmột giao thức định tuyến hiệu quả trong bất kỳ mạng nào.

có được là bao nhiêu? Thông số thông lượng T sẽ cho biết băng thông thực sựkhi mô phỏng và có thể cho thấy sự hiệu quả của giao thức định tuyến ở mức

độ nào Khi thông lượng trung bình cao nghĩa là băng thông dành cho địnhtuyến là ít, khi đó giao thức định tuyến hoạt động tốt

1.3 Giới thiệu chung về NS-2

1.3.1 Tổng quan về NS-2

NS-2-Network Simulator Version 2, là một công cụ giả lập mạng được sửdụng rất phổ biến trong các nghiên cứu khoa học về mạng, nó được pháttriển trong một phần của dự án VINT-Virtual Internet Testbed, viết bằng ngônngữ C++ và OTcl NS rất hữu ích cho việc mô phỏng mạng diện rộng (WAN) vàmạng local (LAN) Bốn lợi ích lớn nhất của NS-2 phải kể đến đầu tiên là:

 Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại

 Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng

 Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thựcthi được trong thực tế

 Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau

Mục đích của NS-2 là tạo ra môi trường giả lập cho việc nghiên cứu, kiểm tra,thiết kế các giao thức, các kiến trúc mới, so sánh các giao thức và tạo ra các môhình mạng phức tạp

Phiên bản thứ nhất của NS được phát triển vào năm 1995 và phiên bản thứ hai

ra đời vào năm 1996 NS-2 là phần mềm mã nguồn mở có thể chạy được trên nềncủa Linux và Window

1.3.2 Các thành phần của NS-2

Trong chương này chúng ta sẽ trình bày các bước đầu tiên gồm có :

 Việc khởi tạo và kết thúc của bộ mô phỏng ns

 Định nghĩa các node mạng, link, hàng đợi và topology

 Định nghĩa các tác nhân (agent) và các ứng dụng

 Công cụ hiển thị “nam”

 Bám vết

 Các biến ngẫu nhiên

Một vài ví dụ đơn giản được đưa ra sẽ cho phép chúng ta thực hiện các bước đầutiên với bộ mô phỏng ns

a Khởi tạo và kết thúc

Một mô phỏng ns bắt đầu với câu lệnh

set ns [new Simulator]

Đây là dòng đầu tiên trong tập lệnh tcl Dòng này khai báo 1 biến ns mớidùng lệnh set, bạn có thể gọi biến ngẫu nhiên này như bạn muốn, tuy nhiên thôngthường người ta khai báo nó là ns vì đó là một thể hiện của lớp Simulator, do vậy

nó mới là một đối tượng Thật vậy đoạn mã [new simulator] là một trường hợpthể hiện của lớp Simulator sử dụng từ khóa new Vậy nên việc sử dụng biến mới

ns này chúng ta có thể sử dụng tất cả phương thức của lớp Simulator, chúng ta sẽthấy điều này ở phần sau

Để có các file đầu ra với dữ liệu mô phỏng (file bám vết ) hay các file sửdụng cho hiển thị (các file nam) thì chúng ta cần tạo các file bằng cách sử dụnglệnh “open” :

“out.tr” để sử dụng cho ghi, được khai báo với chữ “w” Dòng thứ 3 sử dụng mộtphương thức Simulator tên là trace-all có tham số là tên của file mà các trace sẽchạy Với câu lệnh simulator này chúng ta sẽ bám vết tất cả các sự kiện theo mộtkhuôn dạng cụ thể mà chúng ta sẽ giải thích sau chương này

Dòng cuối cùng báo cho bộ mô phỏng ghi tất cả sự bám vết thành dạng đầuvào NAM Nó cũng đưa ra tên file mà sự bám vết sẽ được ghi lại sau đó bằng

lệnh $ns flush-trace (xem thủ tục “finish” ở dưới) Trong trường hợp của chúng

ta, file được chỉ tới con trỏ “$ namfile” là file “out.tr”

Chú ý: các lệnh trace-all và namtrace-all có thể dẫn đến việc tạo ra các file kíchthước lớn Nếu chúng ta muốn tiết kiệm không gian, các lệnh trace khác sẽ được

sử dụng bởi vậy khi tạo ra trace chỉ một tập con các sự kiện mô phỏng là thực sựcần đến Kết thúc chương trình được thể hiện bằng một thủ tuch “finish”

#Định nghĩa thủ tục “finish”

Proc finish {} { glocal ns tracefile1 namfile

$ns flush-trace close $tracefile1 close $namfile exe nam out.nam &

exit 0 }

Từ khóa proc khai báo một thủ tục trong trường hợp này là finish và không

có tham số nào Từ khóa global được dùng để cho biết rằng chúng ta đang dùngcác biến được khai báo ngoài thủ tục Phương thức simulator “flush-trace” sẽ đổ(dump) các trace vào các file tương ứng Lệnh tcl “close” đóng các file bám vếtđịnh nghĩa trước đó và “exec” thực thi chương trình nam cho hiển thị Lưu ý rằngchúng ta đã chuyển tên thật của file nam bám vết thành nam và không thực hiệnđiều này với con trỏ namfile vì nó không phải câu lệnh ngoài Giá trị không làmặc định cho exit không lỗi (clean exit) Các giá trị khác có thể được dùng đểcho biết đó là một exit có một vài lỗi gì đó Ở cuối chương trình ns chúng ta sẽgọi thủ tục “finish” và chỉ ra thời điểm kết thúc Ví dụ

$ns at 125.0 “finish”

Sẽ được dùng để gọi “finish” vào thời điểm 125 giây Thật vậy, phươngthức của simulator cho phép chúng ta lập lịch các sự kiện một cách chính xác.Sau đó trình mô phỏng có thể bắt đầu lệnh : $ns run

b Định nghĩa một mạng các liên kết và các nút

Cách định nghĩa một nút

Set n0 [$ns node]

Chúng ta đã tạo một nút được trỏ tới bởi biến n0 Khi muốn tham chiếu nút

đó trọng tập lệnh thì chúng ta sẽ viết $ns0

Một khi định nghĩa vài nút, chúng ta có thể định nghĩa các liên kết nối tớichúng Ví dụ định nghĩa một liên kết là:

$ns duplex-link $ns0 $ns3 10Mb 10ms DropTail

Ở đây các nút $ns0 và $ns2 được kết nối bằng một liên kết 2 chiều có độ trễđường truyền 10ms và dung lượng mỗi chiều 10Mbps Để định nghĩa một liênkết 1 chiều thay cho một liên kết 2 chiều, chúng ta thay “duplex-link” bằng

“simplex-link”

Trong NS , một hàng đợi đầu ra có một nút được thực thi như một phần củamỗi liên kết mà đầu vào của nó là nút kia Định nghĩa liên kết chứa cách điềukhiển tràn bộ nhớ ở hàng đợi Trong trường hợp của chúng ta, nếu dung lượng bộđếm của hàng đợi đầu ra bị vượt quá thì gói tin cuối cùng đến sẽ bị loại bỏ (tùychọn DropTail)

Tất nhiên, chúng ta cũng định nghĩa dung lượng bộ đếm hàng đợi liên quantới mỗi liên kết Chẳng hạn:

#set Queue Size of link (n0-n2) to 20

$ns queue-limit $n0 $n2 20

Một liên kết đơn công có mẫu được trình bày như trong hình 3.1 Trànhàng đợi được thực hiện bằng việc gửi các gói tin bị hủy tới một tác nhân Null.Đối tượng TTL sẽ tính tham số Time to Live cho mỗi gói nhận được Một liênkết song công được xây dựng từ hai liên kết đơn công song song

Chú ý rằng chúng ta định nghĩa dung lượng bộ đệm tương ứng với mộtliên kết duy nhất giữa n2 và n3 Các hàng đợi tương ứng với tất cả liên kết khácđều có giá trị mặc định là 50 Giá trị mặc định này nằm trong câu lệnh của nsdefault.tcl

Hình 1.11: Kênh truyền đơn

Simulator instproc queue-limit {n1 n2 limit}{

$self instvar link_

[$link_([$n1 id]:[$n2 id]) queue] set limit_ $limit

}

Trong đó, chúng ta thấy rằng giới hạn hàng đợi là một phương thức của bộ

mô phỏng mà cần 3 tham số: 2 nút định nghĩa kênh truyền và giới hạn hàng đợi

Ở đây ta thấy số giới hạn hàng đợi được đưa ra bởi biến limit

Hình 1.12: Ví dụ về một mạng đơn giản

#Thiết đặt một FTP qua kết nối TCP

Set ftp [new Application/FTP]

Trong ví dụ trước, chúng ta muốn chạy một ứng dụng FTP (giao thứctruyền file) giữa nút $n0 và $n4 và ứng dụng CBR (tốc độ bit không đổi) giữanút $n1 và $n5 Giao thức internet mà FTP sử dụng là TCP/IP (giao thức điềukhiển vận chuyển/giao thức Internet) còn CBR sử dụng giao thức UDP (giao thứcgói dữ liệu người dùng) Trước tiên chúng ta sẽ định nghĩa một tác nhân TCPgiữa nút nguồn $n0 và nút đích $n4 và ứng dụng FTP sử dụng nó Sau đó chúng

ta định nghĩa tác nhân UDP giữa nút nguồn $n1 và nút đích $n5 và ứng dụngCBR sử dụng nó

d FTP trên nền TCP

TCP là một giao thức điều khiển tắc nghẽn tin cậy động sẽ được giải thích

tạo từ phía đích để biết gói tin nhận được đầy đủ hay chưa Các gói bị mất đượchiểu là các dấu hiệu tắc nghẽn, như vậy nguyên nhân TCP yêu cầu truyền 2hướng là để các báo nhận quay trở về nguồn.

Có một vài biến thể của giao thức TCP, như là Tahoe, Reno, Rewreno,Vegas Kiểu tác nhân (agent có thể hiểu là một trạm) có xuất hiện trong dòng đầutiên:

Set tcp [new Agent /TCP]

Câu lệnh này đưa ra một con trỏ gọi ”tcp” cho tác nhân TCP, một đốitượng trong NS

Câu lệnh $ns attach-agent $n0 $tcp định nghĩa nút nguồn kết

nối TCP Câu lệnh

Set sink [new Agent/TCPSink]

Định nghĩa hoạt động của nút TCP đích và gán nó một con trỏ gọi là sink.Chúng ta lưu ý rằng trong TCP, nút đích có một vài trò tích cực trong giao thứctạo ra báo nhận để đảm bảo tất cả các gói tin đến được đích

Câu lệnh $ns attach–agent $ns4 $sink định nghĩa nút đích Lệnh $ns connect $tcp $sink tạo kết nối TCP giữa các nút nguồn và đích TCP có nhiềutham số với các giá trị mặc đinh được cố định ban đầu có thể bị thay đổi nếu xéttrong trường hợp cụ thể Ví dụ, kích thước gói tin TCP là 1000 bytes Giá trị này

có thể thay đổi thành giá trị 552 byte bằng lệnh $tcp set packetSize_ 552

Khi chúng ta có vài luồng dữ liệu, có thể muốn phân biệt chúng ta có thểnhận ra chúng với các màu khác nhau trong phần hiện thị Điều này được thểhiện bằng câu lệnh $tcp set fid_1 gán cho kết nối TCP một số nhận dạng luồngbằng “1” sau đó ta sẽ gán số nhận dạng luồng dòng cho kết nối UDP là “2”.Khi kết nối TCP được định nghĩa thì ứng dụng FTP có thể được định nghĩaqua nó

#Thiết lập một kết nối UDP

Set udp [new Agent/UDP]

$ns attach-agent $n1 $udp

Set null [new Agent/Null]

$ns attach-agent $n5 $null

$ns connect $udp $null

$udp set fid_ 2

Set cbr [new Application/Traffic/CBR]

$cbr attach-agent $udp

$cbr set packetSize_ 1000

$cbr set rate_ 0.01Mb

$cbr set random_ false

Đoạn mã định nghĩa ứng dụng CBR sử dụng tác nhân UDP Điều này đượcthực hiện ở 3 dòng cuối trong đoạn code

Chú ý rằng cả tác nhân TCP cũng như ứng dụng FTP đều được cho các contrỏ: Chúng ta gọi con trỏ cho tác nhân TCP là “TCP” (tuy nhiên có thể sử dụngtên khác) và con trỏ cho FTP là “ftp”

e CBR qua UDP

Tiếp theo chúng ta sẽ định nghĩa kết nối UDP và ứng dụng CBR qua nó.Một nguồn UDP (Agent/UDP) và đích (Agent/Null) được định nghĩa theo 1 cáchtương tự như trường hợp của TCP Về ứng dụng CBR sử dụng UDP

Thay vì định nghĩa tốc độ trong câu lệnh $cbr set rate_0.01Mb, ta có thểđịnh nghĩa khoảng thời gian giữa các gói truyền đi bằng câu lệnh:

$cbr set interval_ 0.005

Các tham số khác của CBR là random_, là một cờ sẽ chỉ ra mô phỏng cóđưa ra “tạp âm ” ngẫu nhiên trong thời gian truyền đã lập lịch hay không Mặcđịnh nó là “off” và có thể được đặt thành “on” bằng lệnh:

$cbr set random_ 1

Kích thước gói có thể được đặt một giá trị nào đó bằng lệnh:

$cbr set packetSize_ <packet size>

f UDP với các nguồn lưu lượng khác

Chúng ta có thể mô phòng các kiểu ứng dụng lưu lượng sử dụng giao thứcUDP khác: Nguồn lưu lượng dùng và không dùng phân bố theo hàm mũ, nguồndùng và không dùng phân bố pareto, và một nguồn điều khiển dựa trên bám vết(trace -driven) Nguồn có phân bố hàm mũ và có nguồn phân bố pareto được khaibáo lần lượt là

Set source [new Application/Traffic/Exponential]

Set source [new Application/Traffic/Pareto]

Các nguồn này yêu cầu các tham số: packetSize _(theo byte );

Trong nguồn pareto bật/tắt chúng ta cũng định nghĩa “hình dạng ” bằng tham sốshape_ Một ví dụ của một Pareto bật/ tắt được đưa ra :

Set source [new Application/Traffic/Pareto]

$source set packetSize_ 500

$source set burst_time_ 200ms

$source set idle_time_ 400ms

$source set rate_ 100k

$source set shape_ 1.5

Ứng dụng điều khiển dựa trên bám vết được định nghĩa như sau Đầu tiênchúng ta khai báo file trace :

Set tracefile [new Tracefile]

$tracefile filename <file>

Sau đó chúng ta định nghĩa ứng dụng điều khiển dựa bám vết và gắn nó vào file đó

set stc [new Application/Traffic/Trace]

$ns at <time> <event>

Bộ lập lịch bắt đầu khi ta chạy ns, thông qua lệnh $ns run

Trong ví dụ đơn giản của chúng ta, sẽ lập lịch quá trình bắt đầu và kết thúccủa ứng dụng FTP và CBR Điều này có thể thực hiện thông qua các lệnh sau:

$ns at 0.1 “$cbr start”

$ns at 1.0 “$ftp start”

$ns at 124.0 “$ftp stop”

$ns at 0.1 “$cbr stop”

h Hiển thị dùng NAM

Công cụ hiển thị nam sẽ hiển thị một mạng 6 nút Vị trí của các nút có thểđược chọn ngẫu nhiên Để thủ tục tái lập vị trí ban đầu của các nút trong NAM,chúng ta thêm vào tập lệnh tcl đoạn sau:

# đưa ra vị trí nút (cho NAM)

$ns duplex-link-op $n0 $n2 orient right-down

$ns duplex-link-op $n1 $n2 orient right-up

$ns simplex-link-op $n2 $n3 orient left

$ns duplex-link-op $n3 $n4 orient right-up

$ns duplex-link-op $n3 $n5 orient right-down

Chú ý: nếu một vị trí ngẫu nhiên của các nút được chọn và nó không thỏamãn ta có thể nhấn vào nút “re-layout” và một vị trí khác sẽ được chọn Ta cũng

có thể sửa vị trí bằng cách nhấp chuột vào nút Edit/View và “kéo rê” mỗi nút tới

vị trí yêu cầu (với sự giúp đỡ của con chuột)

Cần lưu ý rằng trình hiển thị nam hiển thị cho chúng ta hình ảnh các góiCBR (dòng tin từ nút 1 đến nút 5) màu đỏ và các gói TCP (từ nút 0 đến nút 4)màu xanh Các ACK của TCP (các báo nhận) đi theo các hướng ngược và cũng

có màu xanh tuy nhiên chậm hơn bởi vì một ACK có kích thước 40 byte trongkhi các gói tin TCP có kích thước 552 byte Để nhận được các màu, chúng ta cầnđịnh nghĩa trong phần bắt đầu của tập lệnh ex1.tcl

$ns color 1 Blue

$ns color 2 Red

Chú ý rằng nếu đã có một file nam thì không cần phải chạy ns để xem nó

mà gõ trực tiếp lệnh nam <file name>

“Snapshots” từ các trình hiển thị nam có thể được in (vào trong một máy in hoặcthành một file) bằng cách vào tùy chọn “File” ở menu trên cùng

Một vài điều khác có thể thực hiện trong NAM

 Tô màu nút, ví dụ như nếu muốn n0 xuất hiện với màu đỏ chúng ta viết :

$n0 color red

 Hình dạng các nút: ở mặc định chúng là vòng tròn tuy nhiên có thể hiện thị

khác đi Ví dụ ta có thể gõ $n1 shape box (hoặc thay vì “box” ta có thể dùng

“hexagon” hay “circle”)

 Tô màu liên kết: như ví dụ

$ns duplex-link-op $n0 $n2 color “green”

 Thêm và xóa các dấu (mark): chúng ta có thể đánh dấu một nút ở thời điểmđang xét (ví dụ ở cùng thời điểm khi chúng ta kích hoạt một nguồn lưu lượngnào đó ở thời điểm đó) Ví dụ chúng ta có thể gõ:

$ns at 2.0 “$n3 add-mark m3 blue box”

$ns at 30.0 “$n3 delete-mark m3”

 Thêm các nhãn: một nhãn có thể xuất hiện trên màn hình từ thời điểm đangxét trở đi, như là đưa ra nhãn “active node” tới một nút n3 từ thời điểm 1.2.

$ns at 1.2 "$n3 label \" active node\""

Và đưa một nhãn “TCP input link” cho liên kết n0-n2 gõ

$ns duplex-link-op $n0 $n2 label “TCP input link”

 Thêm chữ : ở cuối khung của cửa sổ NAM, ta có thể tạo chữ hiện ra ở thờiđiểm đang xét Chữ này có thể được dùng để mô tả một sự kiện nào đó đượclập lịch ở thời điểm đó Ví dụ

$ns at 5 "$ns trace-annotate \"packet drop\""

 Ngoài ra trong NAM có thể giám sát kích thước hàng đợi Ví dụ, giám sáthàng đợi đầu vào của liên kết giữa n2-n3 queuePos 0.5

Hình 1.13: Bám các đối tượng trong một kênh truyền đơn công

Đến một gói đến và được xếp hàng ở hàng đợi đầu vào của kênh truyền.Nếu gói tin tràn thì thông tin liên quan đến gói tin hủy sẽ được điều khiển bởiDrpT DeqT đăng ký thông tin ngay lúc gói tin bị đẩy ra khỏi hàng đợi Cuốicùng, RecvT đưa thông tin của chúng ta về các gói nhận được ở đầu ra kênhtruyền

NS cho phép chúng ta nhận nhiều thông tin hơn là thông qua bám vết ởtrên Một phương pháp là sử dụng giám sát hàng đợi Phương pháp này được mô

tả ở cuối phần này

+ Cấu trúc của các file bám vết

Khi bám vết trong một file ascii đầu ra, trace được tổ chức thành 12 trườngnhư sau (trong hình 3.5) ý nghĩa của các trường là:

Hình 1.14: Các trường xuất hiện trong 1 trace

1 Trường đầu tiên là kiểu sự kiện Được đưa ra bằng một trong 4 biểutượng r, +, -, d lần lượt ứng với nhận (ở đầu ra của kênh truyền), đãxếp vào hàng, đã ra khỏi hàng , và bị loại

2 Trường thứ 2 đưa ra thời điểm xảy ra sự kiện

3 Đưa ra nút đầu vào của kênh truyền mà sự kiện xảy ra ở đó

4 Đưa ra nút đầu ra của kênh truyền mà sự kiện xảy ra ở đó

5 Đưa ra kiểu gói tin (ví dụ như CBR hay TCP Kiểu tương ứng với tên

mà chúng ta đã gán cho các ứng dụng đó Ví dụ TCP ở trên được gọi

là “tcp”)

6 Đưa ra kích thước gói tin

7 Một vài cờ (chúng ta sẽ xem ở sau)

8 Đây là mã nhận dạng luồng (fid ) ipv6 mà một người sử dụng có thểđặt cho mỗi dòng ở tập lệnh Otcl đầu vào

9 Đây là địa chỉ nguồn đưa ra dưới dạng “node.port”

10 Đây là địa chỉ đích, có dạng như trên

11 Đây là số thứ tự gói tin của giao thức lớp mạng Mặc dù các thực thiUDP trong một mạng thực tế không sử dụng số tuần tự này, tuy nhiên

ns vẫn giữ vết đi của số tuần tự gói UDP cho mục đích phân tích

12 Trường cuối cùng chỉ ra mã nhận dạng duy nhất của gói tin

CHƯƠNG 2: HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ GIAO

THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO YÊU CẦU

2.1 Tổng quan về định tuyến trong mạng ad hoc

2.1.1 Tổng quan

Trong mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng Ad hoc nói riêng do đặctính động của Ad hoc gây ra sự thay đổi thường xuyên và khó đoán trước củatopo mạng, làm tăng độ khó và độ phức tạp để định tuyến giữa các nút di động Đặc điểm này gây ra khó khăn trong việc truyền tải gói tin Riêng mạng Ad hocgói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và nút mạng do đó đểgói tin đến được đích thì nút mạng phải sử dụng phương pháp định tuyến Giaothức định tuyến có hai chức năng: Tìm, chọn đường tốt nhất và chuyển gói tinđến đúng đích Nhiều giao thức định tuyến được đưa ra, tuy nhiên, chúng vẫn gặpphải một số hạn chế nhất định

Vấn đề định tuyến về cơ bản chính là vấn đề tìm đường đi ngắn nhất chomột gói tin được gửi từ một nút mạng tới nút đích của nó Mỗi gói tin chứa IDcủa nút đích trong header của nó Khi một nút nhận một gói tin nó sẽ kiểm tra IDtrong header của gói tin nếu không phải là gửi cho nó nó sẽ chuyển tiếp gói tintới nút kế tiếp gần nó nhất Quá trình chuyển tiếp gói tin tiếp diễn cho đến khi nótới được nút đích Vì lý do này các phương pháp định tuyến được đưa ra với mộtmục tiêu chung là định ra cho mỗi gói tin được truyền đi một đường đi tối ưu Hiện nay, các giao thức định tuyến đưa ra với Ad hoc đều dựa trên một giaothức định tuyến cổ điển làm thuật toán cơ bản Các giao thức cổ điển điển hình

là: định tuyến theo vector khoảng cách, định tuyến theo trạng thái liên kết đã được sử dụng từ rất lâu và đã trở nên rất quen thuộc Tuy nhiên, các giao thức

này chỉ thích hợp cho cấu trúc mạng tĩnh, hoạt động hiệu quả ở mạng Ad hoc cótốc độ di chuyển thấp, cấu trúc mạng ít thay đổi Vì vậy chúng đã được cải tiến

để phù hợp cho thông tin vô tuyến nói chung và cho mạng ad hoc nói riêng.Vấn

đề định tuyến trong mạng Ad-Hoc là một thách thức do các nút mạng luôn có xu

lúc nào và có những đặc điểm khác hẳn với những lý do khác Ngoài ra, dảithông trong mạng không dây là thấp, các nút bị hạn chế bởi nguồn nuôi nên tổnglưu lượng dành cho định tuyến cần phải nhỏ

Hình 2.1 Mô tả các trục cơ bản có thể sử dụng để đặc tả môi trường mạng

Ad Hoc Trục đầu tiên là số các nút trong mạng Trục thứ hai là tốc độ mà tại đótopo mạng thay đổi Trục thứ ba là tải lưu lượng trong mạng Khi môi trường dichuyển từ gốc của 3 trục, vấn đề định tuyến trở nên khó khăn hơn Tăng số nút,tăng tốc độ thay đổi topo (nghĩa là tăng tính di động của nút), hoặc tăng tải lưulượng mong muốn trên mạng là thách thức đối với các giao thức trong mạng AdHoc

Hình 2.1: Hệ tọa độ cơ bản mô tả môi trường mạng Ad Hoc

Yêu cầu đối với một giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc là gì? Sau đây

là một số yêu cầu quan trọng:

và mối quan hệ giữa các giao thức Các đặc trưng này chủ yếu liên quan đến việctập hợp thông tin định tuyến, đến vai trò mà một nút có thể đảm nhận trong quátrình định tuyến.

Một trong những phương thức phổ biến nhất để phân loại các giao thức địnhtuyến cho mang Ad hoc là dựa trên việc thông tin định tuyến được tập hợp vàđược duy trì như thế nào bới các nút di động Sử dụng phương thức này, các giaothức định tuyến cho mạng Ad hoc được phân chia như hình 2.2

Hình 2.2: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc

Các giao thức định tuyến proactive: còn được gọi là các giao thức định

tuyến theo bảng (table-driven) Trong kiểu giao thức định tuyến này, Mỗi nútduy trì một hay nhiều bảng chứa thông tin định tuyến tới các nút trong mạng…Thông tin định tuyến được phát broadcast trên mạng theo một khoảng thờigian quy định để giúp cho bảng định tuyến luôn cập nhật những thông tin mớinhất Tuy nhiên, với những mạng mà các node di chuyển nhiều, hoặc cácliên kết giữa các node bị đứt th́ì giao thức định tuyến proactive sẽ phải tìm

kiếm hoặc sửa chữa các liên kết bị đứt, nhưng nếu các liên kết đó không sử dụngthì sẽ trở nên lãng phí tài nguyên, ảnh hưởng đến băng thông của mạng Nên giaothức định tuyến này chỉ áp dụng trong các mô hình mạng ad hoc mà các node ít

di chuyển Sử dụng các giao thức này, các nút di động cố gắng đánh giá liên tụccác tuyến trong mạng để khi một gói cần phải chuyển tiếp thì tuyến đó đã sẵnsàng để sử dụng Khi topo mạng thay đổi, các nút truyền các bản tin thông báo

cho nhau để cập nhật thông tin về tuyến của toàn bộ mạng Giao thức định tuyến

trạng thái liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức địnhtuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-SequencedDistance-Vector Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến proactive

Các giao thức định tuyến reactive: Còn được gọi là các giao thức định

tuyến theo yêu cầu (on-demand) Trong loại giao thức định tuyến này, các conđường đi sẽ chỉ được tạo ra nếu có nhu cầu Khi một node muốn gởi dữ liệu đến

một node đích, nó sẽ khởi động tiến tŕnh route discovery để tìm kiếm con đường

đi đến đích Quá trình khám phá tuyến kết thúc sau khi hoặc có một tuyến đượctìm ra hoặc không có tuyến nào sẵn có sau khi đã kiểm tra toàn bộ các tuyếnđường Sau khi một đường đi đã được xác lập, nó sẽ duy trì thông tin đó bằng

tiến trình route maintenance cho đến khi hoặc node đích không thể truy cập hoặc

con đường đi đó không còn hiệu lực Với các cơ chế đó, giao thức định tuyếntheo kiểu Reactive không phát broadcast các thay đổi của bảng định tuyến theothời gian, nên tiết kiệm được tài nguyên mạng Vì vậy loại giao thức này có thể

sử dụng trong các mạng lớn, các node di chuyển nhiều Trong mạng Ad hoc, cáctuyến đang hoạt động có thể bị đứt do tính di động của nút Do đó, duy trì tuyến

là một hoạt động quan trọng của định tuyến theo yêu cầu So sánh với định tuyếntheo bảng, ít tiêu đề định tuyến là một ưu điểm của định tuyến theo yêu cầu Tuynhiên, sử dụng định tuyến theo yêu cầu thì việc gửi gói tin sẽ có trễ lớn do nútnguồn phải tìm đường trước khi gửi dữ liệu Hai giao thức reactive điển hình làgiao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyến nguồn

động DSR (Dynamic Source Routing) Giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thờiTORA (Temporally Ordered Routing Algorithm).

Các giao thức định tuyến lai (hybrid): Trong kiểu định tuyến này,được đề xuất để kết hợp ưu điểm của 2 loại giao thức trên và khắc phục cácnhược điểm của chúng mạng được chia thành các zone Mỗi node duy trì cảthông tin về kiến trúc mạng trong zone của nó và thông tin về các zone lánggiềng Điều đó có nghĩa là: giao thức Hybrid sử dụng giao thức định tuyếnproactive trong zone của nó và giao thức định tuyến reactive giữa các zone

Do đó, đường đi đến mỗi node trong cùng một zone được xác lập mà không cần

phải định tuyến ra ngoài zone, trong khi đó các tiến tŕnh route discovery và route maintenance thì được sử dụng để tìm kiếm, duy trì đường đi giữa các node củacác zone với nhau Thông thường, các giao thức lai được triển khai trong mạng

có cấu trúc phân cấp Khi đó, các đặc tính định tuyến theo bảng và định tuyếntheo yêu cầu sẽ được khai thác độc lập ở các mức phân cấp khác nhau ZoneRouting Protocol (ZRP) và Hybrid Ad Hoc Routing Protocol là những ví dụ điểnhình của giao thức lai

2.2 Một số giao thức định tuyến theo yêu cầu

Với giao thức định tuyến theo yêu cầu - Reactive, các tuyến yêu cầu kếtnối trong mạng không bắt buộc phải đi qua node gốc Trong IEEE 802.11s sửdụng hai cơ chế yêu cầu tuyến RReq (Route Request) và đáp ứng tuyến RRep(Route Reply) để thu thập các thông tin định tuyến Để thực hiện duy trì tuyến,các node gửi định kỳ bản tin RReq có gắn số thứ tự nhằm tránh hiện tượng lặpvòng Cơ chế trễ thường được thêm vào để tránh việc cập nhật tuyến quá nhanh,thường xảy ra trong trường hợp lỗi tuyến và các bản tin cập nhật RReq từ tuyếnnguyên thủy bị mất hoặc RReq từ các tuyến khác đến nhanh hơn Cơ chế trễ thựchiện việc lưu lại tuyến tốt nhất trong một khoảng thời gian nhất định

2.2.1 Giao thức định tuyến nguồn động (DSR)

+ Khái niệm

DSR ( Dynamic Source Routing) là giao thức định tuyến dựa trên cáctuyến nguồn đơn giản và hiệu quả được thiết kế riêng cho mạng không dây adhoc DRS cho phép mạng tự động tổ chức và cấu hình mà không cần đến sự quảntrị hoặc cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng Các nút này phối hợp với nhau để chuyểntiếp các gói tin Do vậy gói tin có thể được chuyển đến các nút không nằm trongvùng phủ sóng của chính nút đó Khi các nút trong mạng di chuyển, tham giahoặc rời khỏi mạng thì toàn bộ các thủ tục định tuyến được xác định và duy trìmột cách tự động bởi giao thức định tuyến DSR

+ Hoạt động

Giao thức định tuyến DSR bao gồm hai cơ chế cơ bản: Route Discovery

và Route Maintenance, nhờ hai cơ chế này mà các node có thể tìm và duy

trì được các đường đi đến các node trong mạng

Hình 2.3: Mô tả cơ chế hoạt động của định tuyến nguồn động (DSR)

Sau đây là trình bày về hai cơ chế hoạt động chính: 1 tìm đường (Route Discovery) và 2 bảo trì đường dẫn (Router maintenance)

 Khám phá tuyến

Khám phá tuyến được thực hiện bằng cách phát tràn lan yêu cầu qua mạng

để tìm kiếm một tuyến tới đích nào đó Trong dạng đơn giản nhất, nút nguồn A

tuyến RREQ và gói này tiếp tục được quảng bá bởi các nút trung gian cho đếnkhi nó đến được nút đích D Trong cơ chế này, nhiều tối ưu hóa được sử dụng đểgiới hạn tần số và phạm vi của các khám phá tuyến.

Khi một nút S muốn gửi một gói tin đến D, đầu tiên nó sẽ đặt vào phần tiêu

đề của gói tin đó một tuyến nguồn trong đó chỉ ra thứ tự của các chặng mà gói tin

sẽ phải đi qua Thông thường, nút S sẽ đạt được một tuyến nguồn thích hợpthông qua việc tìm kiếm trong Bộ nhớ tuyến của nó các tuyến đã biết trước đây.Tuy nhiên nếu không tìm thấy tuyến nào trong bộ nhớ tuyến, nó sẽ khởi tạo thủtục tìm kiếm tuyến động để tìm ra một tuyến nguồn tới D Trong trường hợp này

ta gọi nút S là nút nguồn còn nút D là nút đích trong thủ tục khám phá tuyến.Trước khi khởi tạo một gói tin RREQ, nút nguồn chọn một nhận dạng yêucầu (Request_id) đặt trong gói tin RREQ Cặp <địa chỉ nút nguồn, nhận dạng yêucầu> là duy nhất

^ "A" ^ "A,B" ^ "A,B,C" ^ "A,B,C,D"

| id=2 | id=2 | id=2 | id=2

+ -+ + -+ + -+ + -+ + -+ | A | >| B | >| C | >| D | >| E | + -+ + -+ + -+ + -+ + -+ | | | |

v v v v

Hình 2.4: Khám phá tuyến trong DSR

Hình 2.4 minh họa quá trình khám phá tuyến đơn giản, nút A cố gắng khámphá tuyến tới nút E Để khởi đầu khám phá tuyến, A truyền một tin báo RREQ.Mỗi tin báo RREQ nhận dạng nút nguồn và đích của khám phá tuyến Nhận dạngyêu cầu được xác định bởi nút nguồn của yêu cầu Một RREQ bao gồm một bảnghi danh sách địa chỉ của từng nút trung gian mà tin báo RREQ đã đi qua Giá trịban đầu của bản ghi tuyến là một danh sách trống

Khi một nút nhận được bản tin RREQ này (ví dụ như nút B trong ví dụ),nếu nó là đích của khám phá tuyến, nó sẽ gửi lại bản tin trả lời tuyến RREP tớikhởi tạo của khám phá tuyến, chuyển bản copy của bản ghi tuyến được cộng dồn

từ RREQ; khi nút nguồn nhận được RREP, nó cất giữ tuyến này trong bộ nhớtuyến để sử dụng khi gửi các gói tin tiếp theo tới đích này

Mặt khác, nếu một nút nhận RREQ mà đã nhận được một bản tin RREQkhác từ nút nguồn, mang theo những nhận dạng yêu cầu và địa chỉ đích giốngnhau hoặc nếu địa chỉ riêng của nút này đã nằm trong báo cáo tuyến của RREQ,

nó sẽ từ chối yêu cầu Nếu không, nút này sẽ gắn địa chỉ riêng của nó vào bản ghituyến trong bản tin RREQ và tiếp tục quảng bá nó Trong ví dụ, nút B sẽ quảng

bá bản tin RREQ, nó sẽ được nhận ở nút C, nút C và nút D cũng vậy, nó sẽbroadcast yêu cầu, kết quả là copy của yêu cầu sẽ được nhận bởi nút E

Trong việc bản tin RREP trở lại nút nguồn trong thủ tục khám phá tuyến,chẳng hạn nút E trả lời nút A trong hình 1.2.4, nút E sẽ kiểm tra bộ nhớ tuyến của

nó xem liệu có một tuyến ngược về nút A, và nếu tìm được nó sẽ sử dụng tuyếnnày làm tuyến nguồn để phân phát các gói tin bao gồm cả gói RREP Nếu khôngtìm được một tuyến ngược trở lại A, E có thể thực hiện thủ tục khám phá tuyến

từ nó tới A Để tránh khả năng quay lại vô hạn có thể của các khám phá tuyến, nó

sẽ chèn bản tin RREP vào chính bản tin RREQ của nó đối với nút A Sử dụng cơchế này nó cũng có khả năng cõng theo các gói dữ liệu nhỏ khác ví dụ như góiTCP SYN trên một bản tin RREQ Nút E còn có thể đảo vị trí sắp xếp của cácchặng trong bản ghi tuyến và sử dụng tuyến đã đảo vị trí này như một tuyếnnguồn đối với các gói tin mang bản tin RREP của chính nó

Khi khởi tạo một khám phá tuyến, nút đang gửi sẽ giữ lại bản sao của góitin ban đầu trong bộ nhớ đệm nội bộ (Send Buffer) gọi là bộ đệm gửi Ngoài raSend Buffer còn chứa các bản sao của các gói tin không truyền đi được do chưatìm ra một tuyến nguồn tới đích Mỗi gói trong Send Buffer được gán cho mộtnhãn thời gian chỉ ra thời gian chúng tồn tại trong Buffer và gói tin sẽ bị loại bỏsau khi thời gian lưu lại trong Send Buffer quá hạn; để Send Buffer không bịtràn, kĩ thuật FIFO hoặc kĩ thuật tương đương khác có thể được sử dụng đểtruyền các gói tin đó đi trược khi chúng hết hạn

Trong trường hợp gói tin còn lưu lại trong Send Buffer mà chưa truyền điđược thì thỉnh thoảng nút mạng lại thiết lập mới thủ tục khám phá tuyến tùy theođịa chỉ đích của các gói Tuy nhiên, tần suất khởi tạo các khám phá tuyến mới