Tìm hiểu tổng quan về mạng ad hoc

Tìm hiểu tổng quan về mạng ad hoc

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu chung

Từ thập kỷ 90 của thế kỷ trước với sự ra đời của kỹ thuật số đã đẩy nhanh

sự phát triển các công nghệ và ứng dụng chúng vào các lĩnh vực đời sống hàng ngày, đặc biệt là truyền thông và công nghệ thông tin Các hệ thống truyền thông từ cố định đến di động đã phủ rộng khắp thế giới làm cho con người khắp nơi trên thế giới có thể thông tin với nhau mọi lúc, mọi nơi Tuy vậy, trong một

số hoàn cảnh đặc biệt như thiên tai, động đất, chiến tranh v.v ở đó cơ sở hạ tầng viễn thông bị phá vỡ, lúc đó con người sẽ liên lạc với nhau như thế nào?

Để giải quyết bài toán đó, gần đây một dạng công nghệ mạng ra đời, đó là mạng AD HOC Mạng Ad hoc là một tập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất

cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không dây Các bộ định tuyến tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu hình mạng thay đổi thường xuyên Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng hạ tầng chung tạo thành mạng thông tin toàn cầu

2 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu tổng quan về mạng Ad hoc

3 Bố cục đề tài

Chương I : Tổng quan về mạng Ad hoc

Giới thiệu chung về mạng Ad hoc, những khả năng và thách thức trong quá trình phát triển mạng Ad hoc Ở đây chúng ta trình bày các khái niệm, đặc điểm,ứng dụng tổng quan nhất về mạng Ad hoc

Chương II : Định tuyến trong mạng Ad hoc

Ở chương này chúng ta tìm hiểu các giao thưc định tuyến

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG Ad hoc

Chương này trình bày các khái niệm tổng quan nhất về mạng Ad hoc, các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng Ad hoc Đồng thời, đề cập đến các thách thức mà mạng Ad hoc đang phải đối mặt

Hình 1.1 Mạng ad hoc

1.1 MỞ ĐẦU

Mạng máy tính từ lâu đã trở thành một phần không thể thiếu đối với nhiều lĩnh vực đời sống xã hội, từ các hệ thống mạng cục bộ đến hệ thống mạng toàn cầu 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 vào mạng bằng cáp vật lý thì việc di chuyển của họ bị hạn chế, nhu cầu đặt ra là vừa kết 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 năng phát triển mạnh mẽ.Mạng Ad hoc là một kiểu mạng không dây rất linh hoạt Đó là tập hợp của hai hay nhiều thiết bị được trang bị khả năng nối mạng và truyền thông không

dây Các thiết bị như vậy có thể giao tiếp với tất cả thiết bị mạng khác ngay lập tức trong dải vô tuyến (vùng phủ sóng, phạm vi mà thiết bị mạng đó nhận biết được) hay một thiết bị vô tuyến khác nằm ngoài dải vô tuyến của chúng với điều kiện có các node trung gian để chuyển tiếp thông tin từ node nguồn đến node đích Thiết bị hỗ trợ mạng Ad hoc đa dạng và sử dụng khá phổ biến như laptop, điện thoại di động Internet Vì có nhiều ưu thế vượt trội và những thách thức cần giải quyết, ngày nay mạng Ad hoc đã và đang được nghiên cứu triển khai thành công ở một số nước mà phổ biến là Mỹ Mạng Ad hoc đặc biệt hữu ích 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

Mạng ad-hoc là lĩnh vực nền tảng trong truyền thông không dây.Công nghệ này cho phép những node mạng có thể truyền thông ngay lập tức với những node khác sử dụng những bộ phát không dây mà không cần sử dụng một

cơ sở hạ tầng cố định Điều này là một sự khác biệt rất lớn của mạng ad-hoc với nhiều mạng không dây cổ điển như mạng cellular hay wireless LAN, trong những mạng này, mỗi node sẽ phải truyền thông với một trạm cơ sở và những trạm cơ sở này thì sử dụng mạng có dây

Mạng ad-hoc đang được trông đợi sẽ là một cuộc cách mạng hóa của truyền thông không dây trong vài năm tới: bằng sự bổ sung những mô hình mạng cổ điển (Internet, mạng cellular, truyền thông vệ tinh), mạng ad-hoc sẽ trở nên vô cùng phổ biến, bằng cách khai thác công nghệ không dây ad-hoc, những thiết bị không dây vô cùng phổ biến (điện thoại , PDA, laptop …) và những thiết bị cố định (máy trạm, những điểm truy xuất Internet không dây …) có thể được kết nối cùng nhau sẽ tạo thành một mạng rộng khắp hay là một mạng toàn cầu

Những ứng dụng trong tương lai theo xu hướng công nghệ mạng ad-hoc

sẽ chứng minh rằng nó rất hữu dụng.Ví dụ, hãy xem xét những tình huống sau đây Một trận động đất đã phá hủy hầu hết mọi thứ, các cớ sở hạ tầng thông tin liên lac của một thành phố lớn(đường dây điện thoại, các máy trạm của mạng

cellular …) Một vài đội cứu hộ (chữa cháy, cảnh sát, y tế …) đang làm việc trên thảm họa đó để cứu mọi người và giúp đỡ những người bị thương.Để mang lại một sự giúp đỡ tốt hơn cho người dân thì những đội cứu hộ phải được phối hợp với nhau.Rõ ràng, một hành động phối hợp chỉ có thể đạt được nếu những người cứu hộ có khả năng giao tiếp, với những người trong đội của mình vả cả những đội khác nữa (ví dụ như cảnh sát với cảnh sát hay cứu hỏa với y tế) Với công nghệ có sẵn, những nỗi nỗ lực phối hợp của những người cứu hộ trong hoàn cảnh cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc bị phá hủy nghiêm trọng là rất khó khăn: thậm chí nếu các thành viên trong nhóm được trang bị những bộ đàm hoặc là các thiết bị tương tự, khi không có quyền truy cập vào các cớ sở hạ tầng

cố định có sẵn thì những người cứu hộ chỉ có thể liên lạc trong một phạm vi gần Vì vậy một trong những ưu tiên ngày nay trong quản lý thiên tai đó là làm thế nào để khôi phục lại được hệ thống cơ sở thông tin liên lạc càng nhanh càng tốt, việc này thường được thực hiện bằng cách sửa chữa các cơ sở hạ tầng đã bị phá hủy và triển khai các thiết bị thông tin liên lạc tạm thời

Tình hình có thể khác đi rất nhiều nếu công nghệ mạng ad-hoc đã sẵn sàng: bằng cách sử dụng đầy đủ các hình thức truyền thông không dây phân cấp hay truyền thông không dây đa chặng, những người cứu hộ sẽ có khả năng giao tiếp trong một khoảng cách tương đối xa Đối với môt khu vực thiên tai có một mật độ dân cư đông hay là một thành phố thì công nghệ mạng ad-hoc có thể mang lại thành công trong những nỗ lực cứu hộ mà không cần sử dụng một cơ

sở hạ tầng thông tin liên lạc nào

Ví dụ trên phần nào mô tả được những tính năng nối bật của những ứng dụng sử dụng công nghệ mạng ad-hoc:

Mạng không đồng nhất: Một mạng ad-hoc điển hình là một mạng lưới

bao gồm nhiều thiết bị không đồng nhất Ví dụ ở giả thiết phía trên đã mô tả, các nhóm cứu hộ làm việc trên vùng bị thiên tai sẽ được trang bị các thiết bị truyền thông giao tiếp khác nhau như: điện thoại di động, PDAs, bộ đàm hay máy tính xách tay … Để cho việc thiết lập một mạng lưới thông tin liên lạc một

cách thành công thì công nghệ mạng phải là nền tảng giúp cho phép các thiết bị khác nhau có thể giao tiếp được với nhau.

Tính di động: trong một mạng ad-hoc điển hình, hầu hết các node trong

mạng là di động, một ví dụ trong trường hợp này chính là những người làm việc trong vùng bị thiên tai mà ta đã nêu trong giả thiết phía trên

Mạng phân tán: việc xây dựng một mạng ad-hoc phân tán là khi các nút

trong mạng là phân tán theo phương diện vật lý, trong thực tế khi các nút mạng

là gần nhau thì truyền thông qua một chặng sẽ hữu dụng hơn rất nhiều và sự truyền thông qua nhiều chặng là không cần thiết

Tiềm năng của những ứng dụng trong mạng ad-hoc là rất nhiều , trong đó chúng ta đánh giá những điều sau đây:

Phân phối nhanh chóng lưu lượng truy cập trên đường cao tốc và khu đô thị: Những tuyến đường cao tốc và các khu đô thị có thể được trang bị những

trạm phát vô tuyến cố định, gửi những thông tin quảng bá tới những xe hơi có gắn những thiết bị thu nhận GPS Lần lượt các xe đang hoạt động có thể cập nhật được giao thông rất nhanh chóng.So với những công nghệ cũ thì công nghệ mới này sẽ cung cấp những chính xác và nhanh chóng hơn

Truy cập Internet khắp nơi: Trong một tương lai rất gần, những khu vực

công cộng như, sân bay, nhà ga, khu mua sắm cao cấp, sẽ được trang bị những điểm truy cập Internet không dây, bằng cách sử dụng các thiết bị di động của những người dùng khác như là một cầu nối không dây việc truy cập internet sẽ được phủ rộng hầu hết mọi nơi

Phân phối những điểm thu nhận thông tin: Bằng cách sử dụng những trạm

truyền thông không dây những điểm thu nhận thông tin có thể phân phối hoặc thu thập thông tin từ những người sử dụng Ví dụ về một điểm thu nhận thông tin đó là một thông tin về một chuyến du lịch, các sự kiện xung quanh, thông tin

về các cửa hàng, nhà ăn trong khu một khu vực …

1.2 KHÁI NIỆM

Mạng Ad hoc là tổ hợp của các node di động được kết nối với nhau bằng các liên kết không dây, các node tự do di chuyển nên kiến trúc mạng có thể thay đổi liên tục mà không dự đoán được Mỗi node mạng có một giao diện vô tuyến giao tiếp với các node mạng khác thông qua sóng vô tuyến hoặc hồng ngoại Các mạng này không dùng bất cứ sự hỗ trợ cơ sở hạ tầng mạng cố định hay chịu

sự quản lí tập trung nào Đây là một đặc điểm riêng biệt của mạng Ad hoc so với các mạng không dây truyền thống mạng chia ô, mạng WLAN, trong đó các node (các thuê bao di động ) liên lạc với nhau thông qua trạm vô tuyến cơ sở

Trong Ad hoc không tồn tại khái niệm quản lý tập trung, nó đảm bảo mạng sẽ không bị sập vì trường hợp nút mạng di chuyển ra ngoài khoảng truyền dẫn của các nút mạng khác Nút mạng có thể ra vào bất cứ lúc nào Do khoảng truyền dẫn của nút mạng là hạn chế nên chúng trao đổi thông tin bằng phương pháp truyền gói tin qua nhiều bước (Multihops) Để làm được điều này, thì tất cả các 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 nút mạng có thể bao gồm một router và một máy trạm liên kết với nhau Một router thực 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 rời khỏi mạng sẽ gây ra sự cố liên kết, nút mạng bị ảnh hưởng có thể yêu cầu đường định 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 khoảng truyền dẫn của nhau

Tùy thuộc vào các sự giả định, mạng ad-hoc có thể được tạo thành từ rất nhiều các thiết bị rất đa dạng: máy tính xách tay, điện thoại di động, PDA, các thiết bị thông minh vv Hơn nữa, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong tương lai,

mạng có thể bao gồm cả những thiết bị không đồng nhất.Do tính đa dạng của các node, một cách tiếp cận điển hình là chỉ chú ý duy nhất tới việc tiêu thụ năng lượng của việc truyền các tín hiệu không dây.Và đây cũng là sự lựa chọn của chúng ta, cụ thể chúng ta chỉ quan tâm đến việc giảm sự tiêu thụ năng lượng được sử dụng để giao tiếp giữa các node Trên các loại thiết bị lượng tiêu thụ năng lượng được sử dụng để truyền thông giao tiếp dao động trong khoảng từ 15% đến 35% trong tổng số năng lượng được sử dụng cho node Những thông

số sử dụng năng lượng trước đây được cung cấp cho card không dây một máy tính xách tay thuân thủ theo chuẩn IEEE 802.11 và mới đây là được sử dụng

để cung cấp cho một thiết bị PDA.Kể từ khi năng lượng được sử dụng cho card không dây là một phần trong năng lượng được sử dụng cho một node thì việc tối

ưu hóa việc sử dụng cho việc giao tiếp trở thành một vấn đề quan trọng Một số các nhóm phát triển đã tiến hành đo đạc sự tiêu thụ năng lượng của một card không dây theo chuẩn 802.11.Một card không dây chuẩn 802.11 thông thường

sẽ có 4 chế độ hoạt động

- Nhàn rỗi: Card là được bật, tuy nhiên nó không được sử dụng

- Truyền: Card đang ở chế độ truyền các gói dữ liệu

- Nhận: Card đang ở chế độ nhận các gói dữ liệu

- Ngủ: Sự cung cấp năng lượng giảm.

Bảng bên dưới cho chúng ta thấy sự tiêu thụ năng lượng của card CISCO Aironet IEEE 802.11 a/b/g (Trích Topology Control In Wireless Ad-hoc Networks (Paolo Santi))

Card Phạm vi truyền “Indoor” (m) Phạm vi truyền “Outdoor” (m)

và băng thông Khi năng lượng sử dụng bị giới hạn kéo theo giới hạn về khả

năng truyền dẫn Thiết bị truy nhập, môi trường vô tuyến cũng có các đặc điểm đặc biệt mà người thiết kế cần lưu tâm khi đưa ra các giao thức định tuyến cho

Ad hoc Ví dụ: các liên kết một chiều, nó xuất hiện trong trường hợp 2 nút mạng

có công suất phát khác nhau nên có khoảng truyền dẫn khác nhau, chỉ cho phép một nút mạng nghe nút mạng kia Liên kết một chiều chỉ có trong Ad hoc,không tồn tại trong mạng tế bào Sử dụng phương pháp định tuyến nhiều bước thì các nút mạng có thể tiết kiệm được năng lượng phát ra

Như vậy mạng Ad hoc có những đặc điểm sau :

- Tính di động: có thể truy cập dữ liệu khi đang di chuyển, nâng cao hiệu quả truy suất dữ liệu

- Tốc độ triển khai nhanh và dễ dàng: không gặp phải những vấn đề về lắp đặt cáp mạng

- Tính mềm dẻo: có thể thiết lập những nhóm mạng nhỏ một cách nhanh chóng, việc mở rộng mạng là dễ dàng vì môi trường mạng sẵn có ở mọi nơi;

- Chi phí: có thể giảm khi sử dụng kỹ thuật không dây, thiết bị 802.11 có thể dùng để tạo cầu nối không dây giữa hai tòa nhà; để thiết lập một cầu nối không dây cần những chi phí ban đầu như thiết bị ngoài trời, các điểm truy cập và những giao tiếp không dây

- Mạng Adhoc bị giới hạn về khả năng của CPU, bộ nhớ, dung lượng pin và băng thông Khi năng lượng sử dụng bị giới hạn kéo theo thời gian về khả năng truyền dẫn

1.4 ỨNG DỤNG

Ad hoc được ứng dụng cho hội thảo, ứng dụng trong quân sự Nó cũng được sử dụng cho trường hợp triển khai cơ sở hạ tầng mạng là khó khăn Ví dụ: khách hàng có thể chia sẻ tệp tin dữ liệu ở sân bay, sinh viên trao đổi thông tin với nhau trong tiết học… Khi máy tính di động giao tiếp thông qua giao diện

mạng LAN vô tuyến, thì nhóm các máy tính đó hình thành mạng Ad hoc, khi đó máy tính có thể truy nhập Internet, tài nguyên trên mạng như máy in, máy scan

1.4.1 Dịch vụ khẩn cấp:

Bất kỳ đâu khi có trường hợp khẩn cẩp xảy ra đều cần có sự kết hợp của các nhân 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 hoc chính là câu trả lời nhanh nhất và phù hợp nhất Điều này có thể không có ý nghĩa với khu vực tổn thất nhỏ, tuy nhiên với thảm họa thiên nhiên có khu vực ảnh hưởng tàn phá rộng lớn, việc liên lạc rất quan trọng nên Ad hoc trở thành giải pháp hữu ích

1.4.2 Hội nghị

Trong hội nghị, hội thảo cần trao đổi thông tin giữa các đại biểu hoặc với hội nghị khác Đây là một nhu cầu lớn trong thời đại phát triển nhanh về thông tin như hiện nay,khi mà giải pháp home network chưa thật sự sẵn sàng Giải pháp 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

1.4.3 Home Networking

Rõ ràng sự hiện diện của máy tính xách tay và ứng dụng không dây làm nhu cầu về home network tăng cao.Việc sử dụng kỹ thuật của Ad hoc cho phé p chúng tự cấu hình và hình thành mạng, điều này tiện lợi cho cả người không thật sự am hiểu về mạng cũng như giảm được chi phí cho xây dựng thiết kế mạng Hơn nữa, nếu ta có nhu cầu sử dụng máy tính ở công sở, trường học thì khối lượng thông tin quản lý mạng giảm xuống rõ rệt

1.4.4 Mạng cá nhân (PAN)

Ở thời đại thông tin thì 1 người cần mang theo nhiều công cụ hỗ trợ cho công việc(điện thoại,Palm ) khi chúng được liên kết với nhau hình thành mạng cá nhân PAN thì rõ ràng mang lại nhiều tiện ích hơn cho người sử dụng PAN là mạng di động do con người không thể ngồi yên một chỗ, tuy nhiên khi kết nối với mạng PAN khác cần trợ giúp của Ad hoc.

1.4.5 Hệ thống nhúng

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

1.4.6 Mạng xe cộ

VANET (Vehicular Ad Hoc Network) gọi là mạng xe cộ Ad hoc, là hệ thống mạng không cần cơ sở hạ tầng, được tạo thành từ các phương tiện xe cộ lưu 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 vụ thông thường như dịch vụ đa phương tiện, Internet

1.4.7 Mạng cảm biến

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 trong quân sự,công an, tình báo, khảo cổ học, nghiên cứu địa lý Các bộ cảm biến có thể 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 bụi nên 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 tin tiêuchuẩn về sự sống Trong công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhịp cảm biến được á p dụng để giám sát chất

lượng có thể giúp ngăn ngừa các sản phẩm không đạt yêu cầu nên tăng mức thỏa mãn cho khách hàng Trong nông nghiệp, các bộ cảm biến có thể giúp xác định chất lượng đất trồng và độ ẩm, chúng cũng có thể phát hiện các hợp chất khác.

TỔNG KẾT

Chương này đã giới thiệu tổng quan về mạng ad hoc Với những ưu điểm triển khai nhanh chóng, tự cấu hình và đáp ứng các đặc điểm di động mạng Adhoc hứa hẹn mang đến sự phổ biến rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn thách thức về mặt công nghệ cần giải quyết như topo mạng thay đổi, vấn đề tiết kiệm năng lượng của các node, lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp… Xét thấy vấn đề định tuyến trong mạng Adhoc là vấn đề rất đáng quan tâm vì nó quyết định đến hiệu năng của mạng

CHƯƠNG II : ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG Ad hoc

Đặc tính động của Ad hoc gây ra sự thay đổi thường xuyên và khó đoán trước của topo mạng, làm tăng độ khó và độ phức tạp để định tuyến giữa các nút

di động Nhiều giao thức định tuyến được đưa ra, tuy nhiên, chúng vẫn gặp phải một số hạn chế nhất định Chương này trình bày 3 loại giao thức trong mạng Ad hoc: OLSR, AODV, DSR

2.1 GIAO THÚC ĐỊNH TUYẾN CỔ ĐIỂN

Hiện nay, các giao thức định tuyến đưa ra với Ad hoc đều dựa trên một giao thức định tuyến cổ điển làm thuật toán cơ bản; do đó, việc tìm hiểu nghiên cứu các hoạt động cơ bản của các giao thức này là hết sức cần thiết.Giao thức cổ điển như: 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, cácgiao thức này chỉ thích hợp cho cấu trúc mạng tĩnh, hoạt động hiệu quả ở mạng Ad hoccó tốc độ di chuyển thấp, cấu trúc mạng ít thay đổi Ngoài ra, giao thức này hoạt động phụ thuộc vào bản tin điều khiển định tuyến, nên với số lượng nút mạng tăng, yêu cầu trao đổi giữa các nút mạng tăng lên, thông tin cập nhật định tuyến lớn, chúng sẽ tiêu tốn băng thông, năng lượng và CPU Bởi vì hai loại giao thức định tuyến trên duy trì định tuyến đến tất cả các nút mạng, nó không quan tâm nút mạng có tham giao truyền thông tin trong mạng tại mọi thời điểm hay không Hơn nữa, giao thức định tuyến cổ điển rằng buộc liên kết phải là hai chiều, nên cần có những cải thiện nhất định cho thông tin vô tuyến nói chung và mạng Ad hoc nói riêng

2.1.1 Định tuyến dựa trên trạng thái liên kết

Phương pháp định tuyến dựa trên trạng thái liên kết dựa trên giá của mỗi liên kết (cost) và nút mạng phải duy trì cấu trúc mạng hoàn chỉnh với tham số này Tham số“giá” sẽ được cập nhật bằng cách mỗi nút mạng sẽ gửi thông tin quảng bá một cách liên tục “giá” của các liên kết xuất phát từ nó tới tất cả các nút mạng khác sử dụng thuật toán flooding Mỗi nút mạng khi nhận được các

thông tin này sẽ cập nhật cấu trúc mạng và sử dụng thuật toán tìn đường đi ngắn nhất để chọn nút mạng tiếp theo cho đường định tuyến đến nút mạng khác Liên kết có thể có giá không chính xác do nhiều nguyên nhân như trễ đường truyền,

sự phân tách của mạng Các cấu hình mạng thay đổi có thể hình thành định tuyến khép kín (loop), tuy nhiên, đường định tuyến kiểu này có thời gian tồn tại ngắn vì chúng sẽ bị xóa ngay khi bản tin đã đi qua toàn bộ mạng

2.1.2 Định tuyến dựa trên vector khoảng cách

Phương pháp này định tuyến dựa trên vector khoảng cách, có cải tiến hơn

so với phương pháp định tuyến dựa trên trạng thái liên kết: mỗi nút mạng chỉ giám sát giá của liên kết xuất phát từ nó, và không quảng bá thông tin đến tất cả nút mạng; nó gửi quảng bá đều đặn đến nút liền cạnh thông tin về khoảng cách ngắn nhất tới nút khác trong mạng Nút mạng khác khi nhận được thông tin này

sẽ tính toán lại bảng định tuyến thông qua thuật toán tìm đường đi ngắn nhất.Giao thức này hoạt động hiệu quả hơn, đơn giản hơn và yêu cầu ít bộ nhớ lưu trữ hơn Song, nó có thể sinh ra đường định tuyến khép kín có thời gian tồn tại thay đổi dài ngắn khác nhau, vì bảng định tuyến có thể xây dựng từ thông tin

đã tồn tại lâu quá trên mạng (không được cập nhật)

2.2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG Ad hoc

2.2.1 Các yêu cầu chung

Do các nút trong mạng Ad Hoc luôn di động và có nhiều đặc tính khác biệt nên không thể áp dụng các giao thức định tuyến thông thường Các mạng

Ad Hoc thường được đặc trưng bởi một topo động do các nút di chuyển làm thay đổi vị trí vật lý của chúng Đối với mạng Ad Hoc, giao thức định tuyến động tỏ ra hiệu quả và phù hợp hơn các phương pháp định tuyến dựa trên vectơ khoảng cách và trạng thái liên kết.Thách thức trong việc thiết kế các giao thức định tuyến là khả năng cập nhật được mức di động của nút mạng Chích mức di động này là nguyên nhân làm thay đổi toàn bộ cấu trúc topo của mạng Một nút

di động thường bị giới hạn bởi khả năng xử lý của CPU, dung lượng lưu trữ, công suất nguồn và dải thông.Môi trường truy cập, môi trường vô tuyến cũng có những thuộc tính đặc biệt cần phải chú ý khi thiết kế các giao thức cho mạng Ad Hoc Ví dụ các đường truyền vô hướng Những đường truyền này xuất hiện khi hai nút có cường độ khác nhau và cho phép chỉ một nút nghe được nút kia Nhưng chúng cũng có thể xuất hiện do nhiễu từ môi trường xung quanh Đa chặng trong môi trường vô tuyến có thể gây ra tăng íchcông suất truyền và tăng ích công suất do mối quan hệ căn bậc hai giữa vùng phủ sóng và công suất phát

ra Bằng cách sử dụng đa chặng, các nút có thể truyền các gói tin đi sử dụng công suất ra thấp 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 đó topo mạng thay đổi Trục thứ ba là tải lưu lượng trong mạng Khi môi trường di chuyển 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 lưu lượng mong muốn trên mạng là thách thức đói với các giao thức trong 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:

• Hoạt động phân tán: Giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc

phải là giao thức phân tán yêu cầu độ tin cậy cao Do các nút là di động nên giao thức định tuyến tập trung là không phù hợp Mỗi nút mạng phải đủ thông minh để tạo các quyết định định tuyến sử dụng các nút lân cận

• Không lặp vòng: Để nâng cao chất lượng hoạt động, giao thức định

tuyến cần đảm bảo đường định được cung cấp không bị lặp vòng, điều này sẽ làm giảm lãng phí băng thông và công suất tiêu hao của CPU

• Sử dụng các siêu nút: Tất cả các giao thức hiện có đều giả định

rằng các nút di động là có cùng các đặc tính dựa trên bản chất của mạng tự tổ chức là tập hợp của các nút ngang hàng Mặc dù điều này có thể đúng trong một số trường hợp,tuy nhiên, có trường hợp

mà ở đó mạng có các nút có băng thông cao, nguồn nuôi ổn định, liên kết không dây tốc độ cao hơn so với các nút khác Các nút như vậy được gọi là các siêu nút Các mạng tự tổ chức trong trường hợp này thường có cấu trúc 2 mức: vùng backbone và vùng phụ Vùng backbone bao gồm các siêu nút Thêm vào đó các siêu nút thường được giả định là có độ di chuyển thấp hơn các nút thường để duy trì

sự ổn định của backbone Các nút thường không cần có quyết định định tuyến

• Hoạt động dựa trên yêu cầu: Tối thiểu hóa phần thông tin điều

khiển trong mạng, giao thức định tuyến thuộc nhóm định tuyến theo yêu cầu có thể đáp ứng được điều này Nó chỉ tìm đường khi cần thiết và không quảng bá thông tin điều khiển liên tục

• Tính tiên phong (proactive): Trong một số trường hợp, trễ lớn do

hoạt động dựa trên yêu cầu là không chấp nhận được Do đó phải

sử dụng đặc tính tiên phong nếu tài nguyên của mạng (về mặt giải thông) nằm trong khoảng cho phép

• Hỗ trợ các liên kết một chiều: Môi trường vô tuyến có thể là

nguyên nhân hình thành các liên kết theo một hướng Sử dụng kiểu liên kết này và kiểu liên kết hai chiều sẽ nâng cao hiệu năng của giao thức định tuyến

• Bảo mật: Môi trường vô tuyến rất dễ bị tấn công, khai thác thông

tin, do đó mã hóa và chứng thực là cách bảo mật thông thường nhất được áp dụng hiện nay.Vấn đề là việc phân bổ các khóa và các nút trong mạng Ad hoc

• Bảo toàn năng lượng: Nút mạng trong mạng Ad hoc có thể là máy

tính xách tay hay loại client nhỏ gọn khác như PDA thường có giới hạn về thời gian sử dụng của pin, nên cần có chế độ chờ (standby mode) để tiết kiệm năng lượng Do đó,giao thức định tuyến sử dụng cần hỗ trợ chế độ chờ của nút mạng

• Nhiều đường định tuyến: Nhằm giảm số lần tác động do sự thay đổi

về cấu trúc mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn Nếu như một đường định tuyến không sử dụng được nữa thì một đường định tuyến khác có thể thay thế Như vậy, giao thức không cần khởi tạo lại thủ tục tìm đường

• Hỗ trợ QoS: Có nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao

thức định tuyến,nó phụ thuộc vào mục đích của mạng; chẳng hạn,

hỗ trợ lưu lượng thời gian thực

2.2.2 Phân loại

Để so sách và phân tích các giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc, các phương thức phân loại hợp lý là rất quan trọng Các phương thức phân loại giúp cho các nhà nghiên cứu và các nhà thiết kế hiểu được những đặc trưng khác nhau và mối quan hệ giữa các giao thức Các đặc trưng này chủ yếu liên quan đến việc tập hợp thông tin định tuyến, đến vai trò mà một nút có thể đảm nhận trong quá trình định tuyến

a,Định tuyến theo bảng ,định tuyến theo yêu cầu và định tuyến lai

Một trong những phương thức phổ biến nhất để phân loại các giao thức định tuyến cho mang Ad hoc là dựa trên việc thông tin định tuyến được tập hợp

và được duy trì như thế nào bới các nút di động

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

theo bảng (table-driven) Sử dụng các giao thức này, các nút di động cố gắng

đánh giá liên tục các tuyến trong mạng để khi một gói cần phải chuyển tiếp thì tuyến đó đã sẵn sàng để sử dụng Mỗi nút duy trì một hay nhiều bảngchứa thông tin định tuyến tới các nút trong mạng Tất cả các nút trong mạng sẽ cập nhật các bảng này để duy trì một cách phù hợp thông tin và tình trạng của mạng, do đó tiêu đề định tuyến trong các giao thức này là khá lớn 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 và giao thức định tuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV

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) Sử dụng các giao thức này, thủ tục xác định tuyến chỉ được gọi theo yêu cầu Việc này được thực hiện thông qua hoạt động khám phá tuyến đường (route discovery) Quá trình khám phá tuyến kết thúc sau khi hoặc có một tuyến được tìm ra hoặc không có tuyến nào sẵn có sau khi đã kiểm tra toàn bộ các tuyến đường Trong mạng Ad hoc, các tuyến 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 tuyến theo bảng, ít tiêu đề định tuyến là 1 ưu điểm của định tuyến theo yêu cầu Tuy nhiên, sử dụng định tuyến theo yêu cầu thì việc gửi gói tin sẽ có trễ lớn do nút nguồn phải tìm đường trước khi gửi dữ liệu Hai giao thứ creactive điển hình là giao 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)

• Các giao thức định tuyến lai (hybrid) được đề xuất để kết hợp ưu điểm của 2

loại giao thức trên và khắc phục các nhược điểm của chúng 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 tuyến theo yêu cầu sẽ được khai thác độc lập ở các mức phân cấp khác nhau Zone Routing Protocol (ZRP)và Hybrid Ad Hoc Routing Protocol là những ví dụ của giao thức lai

b, Cấu trúc và phân bố tiến trình định tuyến

Một phương thức phân loại khác là dựa trên vai trò có thế có của nút trong

cơ chế định tuyến Trong giao thức định tuyến đồng bộ, tất cả các nút di động có cùng vai trò và chức năng WRP, DSR, AODV và DSDV là những ví dụ về định tuyến đồng bộ.Các giao thức này thường giả định rằng cấu trúc mạng là phẳng Trong một giao thức định tuyến bất đồng bộ, một số nút đảm nhận vai trò quản

lý và chức năng khác nhau.Thuật toán phân tán được sử dụng để lựa chọn các nút đặc biệt này Trong một số trường hợp, các phương pháp định tuyến bất đồng bộ gắn liền với cấu trúc mạng phân cấp để dể dàng tổ chức và quản lý các nút Các giao thức định tuyến bất đồng bộ có thể được phân chia dựa trên việc tổ chức các nút di động, chức năng định tuyến và quản lýđược thực hiện như thế nào Theo đó, các giao thức định tuyến bất đồng bộ trong mạng Ad hoc được chia thành định tuyến phân cấp theo vùng, định tuyến phân cấp theo nhóm và định tuyến theo nút lõi.Trong các giao thức định tuyến theo vùng, các thuật toán xây dựng vùng khác nhau được triển khai cho việc tổ chức nút; ví dụ, một số thuật toán xây dựng vùng sử dụng thông tin vị trí địa lý Khai thác hiệu quả việc phân chia vùng sẽ giảm được đáng kể tiêu đề để duy trì thông tin định tuyến Các nút di động trong cùng một vùng biết đường đến các nút khác sẽ có chi phí nhỏ hơn so với việc duy trì thông tin định tuyến tới tất cả các nút trong toàn mạng Một số nút hoạt động như là gateway và đảm nhận truyền thông liên vùng ZRP và ZHLS là hai giao thức định tuyến theo vùng cho mạng Ad hoc.Các giao thức định tuyến theo nhóm sử dụng thuật toán xây dựng nhóm cho việc bầu chọn trưởng nhóm (cluster-head) Các nút di động được nhóm thành các nhóm,trưởng nhóm đóng vai trò quản lý thành viên và đảm nhận chức năng định tuyến.Clusterhead Gateway Switch Routing (CGSR) là một ví dụ của định tuyến theo nhóm.Trong các giao thức định tuyến theo nút lõi, các nút đặc biệt được tự động lựa chọn để gộp thành 1 backbone trong mạng Các nút

“backbone” đảm nhận các vai trò đặc biệt, như là xây dựng và theo dõi đường