GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC KHÔNG dây

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC KHÔNG dây ...................................................................................................................................................................................

MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY

Hình 3-2: Khám phá định tuyến AODV 11

Hình 3-3: Node A muốn gửi dữ liệu cho node E 11

Hình 3-4: Bản tin RREQ được thiết lập 12

Hình 3-5: Bản tin RREQ được broadcast 12

Hình 3-6: Bản tin RREQ được broadcast 13

Hình 3-7: Bản tin RREP trả lời 14

Hình 3-8: Bản tin RREP trả lời từ đích node E 14

Hình 3-9: Node đích E gửi bản tin RREP 15

Hình 3-10: Bản tin RREP trả lời 16

Hình 3-11: Bản tin RREP hoàn thành 16

Hình 3-12: Bảng định tuyến 17

Hình 4-1: Tổng quan bộ mô phỏng NS-2 19

Hình 5-1: Mô hình mô phỏng trên NS-2 25

Hình 5-2: Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin của các giao thức 26

Hình 5-3: Truyền gói tin của các giao thức 27

Hình 5-4: Tối ưu đường đi 28

DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Nội dung thực hiện 2

Bảng 2-1: Ưu nhược điểm của mạng Ad Hoc 4

Bảng 3-1: Ưu và nhượt điểm của Proactive 7

Bảng 3-2: Ưu và nhược điểm của Reactive 8

Bảng 5-1: So sánh hiệu năng các giao thức định tuyến 23

DSDV Destination-Sequenced Distance Vector RoutingDSR Dynamic Source Routing

TORA Temporally Ordered Routing Algorithm

ABR Auditory Brainstem Response interpretationRREQ Rout Request Packet

RREP Route Reply Packet

RERR Routing Error

ISM Incremental Search Method

SRM Surroundings Repair Method

QoS Quality Of Service

UDP User Datagram Protocol

TCP Transmission Control Protocol

MAC Media Access Control

IP Internet Protocol

ID Indentity Document

1.1 Ý tưởng: 1

1.2 Giới thiệu: 1

1.3 Mục tiêu: 1

1.4 Phương pháp và nội dung thực hiện 2

1.4.1 Phương Pháp: 2

1.4.2 Thực hiện: 2

Nguồn: 2

1.4.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC 3

2.1 Giới thiệu chung 3

2.2 Tổng quan về mạng ad hoc 3

2.2.1 Định nghĩa 3

2.2.2 Đặc điểm của mạng ad hoc 3

2.2.3 Ưu điểm và thách thức của mạng ad hoc 4

2.2.4 Ứng dụng của mạng Ad hoc 4

CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG AD HOC 6

3.1 Phân loại giao thức định tuyến trong mạng ad hoc 6

3.2 Giao thức định tuyến AODV 9

3.2.1 Khái quát 9

3.2.2 Thuật tìm đường 9

3.2.3 Đường đảo chiều 17

3.2.4 Đường chuyển tiếp 18

3.2.5 Xóa bỏ tuyến, xử lý lỗi 18

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ PHỎNG NS-2 19

4.3 Các bước cơ bản kịch bản mô phỏng NS-2 20

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRONG MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY 21

5.1 Độ đo đánh giá hiệu năng 21

5.1.1 Các độ đo định lượng 21

5.1.2 Độ định tính 22

5.2 Đánh giá hiệu năng dựa trên thông số 22

5.3 Đánh giá hiệu suất bằng mô phỏng dựa trên kết quả 25

5.3.1 Mô hình mô phỏng NS-2 25

5.3.2 Phân tích và quan sát kết quả 25

5.3.3 Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin 26

5.3.4 Khả năng truyền gói tin 27

5.3.5 Độ tối ưu về đường đi 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

PHỤ LỤC 30

giao thức bổ sung và cấu thành nên công nghệ càng quan trọng hơn Một công nghệ cóthể sử dụng trên nền tảng một hay nhiều giao thức, trong đó giao thức AODV là mộttrong những giao thức đã gắng liền với đời sống xa xưa, khi con người còn đang lâmtrong hoàn cảnh chiến tranh và đói khổ Chính vì vậy, giao thức này sẽ được chọn để

để phân tích và đánh giá lại một cách cụ thể hơn Đề tài được chọn để phân tích là “Tìm hiểu định tuyến trong mạng ad hoc không dây”

Trong đề tài này, bằng phương pháp nghiên cứu kết hợp với vận dụng thực tế sẽtập trung vào giải quyết 3 vấn đề sau:

- Tìm hiểu mạng ad hoc không dây

- Giao thức định tuyến trong mạng ad hoc không dây

- Mô phỏng và đánh giá hiệu suất

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Ý tưởng:

Trong chiến tranh và đất nước đang còn nghèo nàn,việc liên lạc và trao đổi dữliệu rất khó khăn Để có thể trao đổi dữ liệu và thông tin cần phải xây dựng một hệthống cơ sở hạ tầng khá quy mô, như vậy sẽ ảnh hưởng đến tiền tài và vật chất đối vớimột đất nước nghèo nàn và đang trong thời kì chiến tranh Cùng vào lúc đó, giao thứcAODV được phát triển nhầm để phục vụ việc trao đổi dữ liệu và thông tin trong chiếnđấu một cách tạm thời mà không cần phải xây dựng một hệ thống cơ sở hạ tầng nàocả

Với sự tìm hiểu thực tế về giao thức AODV trong mạng ad hoc không dây, đểgiúp giao thức AODV trong mạng ad hoc không dây trở nên khả quan và phát triểnhơn, cần có những yếu tố cấu thành như sau:

 Môi trường truyền dẫn

 Thời gian delay ở mỗi node mạng

 Khả năng tự tìm đường và ghép đường lẫn nhau

 Tăng độ nhạy về việc tìm đường

Giao thức AODV gồm có:

 RREQ (Route Request Packet): Gói tin quảng bá(gói tin yêu cầu)

 RREP (Route Reply Packet): Gói tin trả lời

 Dynamic establishment of route table entries: Thiết lập bảng định tuyến

 Maintenance of timer-based states: Bảo trì trạng thái gốc

 Destination sequence number: Những chuỗi số.

 Intermediate node: Nút mạng trung gian

 Route discovery: Dò tìm tuyến đi

 Route maintenance: Duy trì tuyến đi

1.4 Phương pháp và nội dung thực hiện

Mô phỏng, hiệu chỉnh, rút kinh nghiệm

Hoàn chỉnh, viết báo cáo

1.4.2 Thực hiện:

Bảng 1-1: Nội dung thực hiện

1 Tìm hiểu sản phẩm đã có, rút ra các khuyết điểm của sản

phẩm từ đó đưa ra ý tưởng khắc phục các nhược điểm 1

1.4.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Tính khả thi: Rất hợp lý trong tình trạng đất nước đang khó khăn hoặc đangtrong tình thế chiến tranh xâm lược

Hiệu quả kinh tế-xã hội: Mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc không cầnxây dựng cơ sở hạ tầng mà vẫn đáp ứng đầy đủ như cầu truyền và nhận thông tin trongmạng

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC

2.1 Giới thiệu chung

Mạng không dây được chia làm 2 loại:

+ Loại đầu tiên: Mạng cơ sở hạ tầng: Các mạng cố định và có cổng dây, thườngđược gọi là điểm truy cập Các thiết bị trong mạng di động kết nối và liên lạc với điểmtruy cập gần nhất nằm trong bán kính hoạt động của nút mạng

+ Loại thứ hai: Mạng ad hoc: Tất cả các nút có khả năng tự chuyển động và kếtnối một cách ngẫu nhiên Các nút mạng có chức năng như router, nút mạng có khảnăng phát hiện ra và duy trì các router đến các nút khác trong mạng

2.2 Tổng quan về mạng ad hoc

2.2.1 Định nghĩa

Mạng ad hoc gồm tập hợp tất cả các nút mạng có khả năng chuyển động, cácnút mạng truyền thông tin với nhau theo các đường truyền ngẫu nhiên Để thực hiệnviệc trao đổi dữ liệu thông tin này, các nút mạng đóng vai trò như các router, cácrouter này có chức năng định tuyến, quảng bá đường đi, sửa lỗi liên kết

Khi các nút mạng chuyển động, việc cấp phát nguồn cho các nút mạng rất khókhăn vì đa phần nguồn nuôi của các nút mạng là nguồn pin

Việc các nút mạng chuyển động dẫn đến Topo mạng thay đổi nhanh chóng vàkhông thể đoán trước được, gây trở ngại đến quá trình trao đổi dữ liệu

2.2.2 Đặc điểm của mạng ad hoc

Mạng Ad hoc gồm những nền tảng di động, hay còn được gọi là các nút có thể

di chuyển tự do Các nút mạng có thể ở trong hoặc ở trên các phương tiện di chuyểnhoặc ở trên cơ thể con người

Các nút mạng được trang bị truyền thông không dây, thu nhận sử dụng Ăng-ten

có thể phát sóng theo mọi hướng

Chức năng topo mạng: Các nút chuyển động tự do, do đó các topo mạng thường

là multihop có thể thay đổi ngẫu nhiên và nhanh chóng tại các thời điểm không thểđoán trước được Có thể bao gồm các liên kết hai chiều và theo đường dẫn duy nhất

Băng thông hạn chế: Thực hiện các giao tiếp không dây nên các yếu tố về tiếng

ồn, nhiễu sóng, sự can thiệp có điều kiện làm hạn chế băng thông

Khả năng thay đổi liên kết: Việc phát nhận dữ liệu không dây sẽ có năng suấtthấp hơn các loại khác, cộng với những yếu tố về môi trường dẫn đến việc liên kếtkhông bền vững giữa các nút mạng Có thể có những liên kết 2 chiều cũng có thể cónhững liên kết 1 chiều.

Giới hạn an ninh vật lý: Mạng không dây thường dễ bị đe doa an ninh hơn cáp

2.2.3 Ưu điểm và thách thức của mạng ad hoc

Bảng 2-2: Ưu nhược điểm của mạng Ad Hoc

Không phụ thuộc sơ cở hạ tầng Việc định tuyến

Không phụ thuộc các trạm trung gian Hiệu quả sử dụng nguồn điệnCác nút mạng kết nối thông qua các nút mạng Giao thức điều khiển truyềnCác nút mạng có thể chuyển động tự do Chi phí cho việc sử dụng phổ tần số

2.2.4 Ứng dụng của mạng Ad hoc

Một số ứng dụng của công nghệ mạng ad hoc có thể bao gồm các ứng dụngcông nghiệp và thương mại liên quan đến trao đổi dữ liệu trên điện thoại di động.Ngoài ra, dựa trên mạng lưới điện thoại di động có thể hoạt động mạnh mẽ, thay thếcác phương pháp rẻ tiền hoặc cải tiến các thiết bị dựa trên cơ sở hạ tầng mạng

 Ứng dụng trong quân đội

- Giải pháp mạng ad hoc trong quân đội có những đặc điểm khác so vớimạng ad hoc thuần túy

- Mạng ad hoc thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên,các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào với bất cứ tốc độ nào Trong mô hình

mạng ad hoc cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên của chúng khichúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Xu hướng di động ở đây là theo nhóm.

- Do đó nếu đưa ra được một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đềcủa mạng ad hoc sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: Định tuyến, sử dụng các ứng dụng thờigian thực như tiếng nói, video,…) cho phép phát triển một giải pháp tối ưu

 Ứng dụng trong đời sống

- Cứu hộ: Tại các vùng bị thiên tai thảm họa khó có thể xây dựng lại cơ

sở hạ tầng như trước đó, rất tốn chi phí, mạng ad hoc không dây là một trong nhữngvấn đề tối ưu để chọn

- Hội thảo: Chia sẻ các tài liệu qua mail hoặc các thiết bị có khả năng diđộng, tất cả người dự hội thảo đều được giữ kết nối trong qua mạng ad hoc Khi kếtthúc cuộc hội, ngắt nguồn thiết bị, đồng nghĩa với việc mạng ad hoc bị hủy bỏ

CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG AD HOC

3.1 Phân loại giao thức định tuyến trong mạng ad hoc

Giao thức định tuyến trong mạng di động ad hoc có thể được chia thành các loạisau:

 Giao thức định tuyến dựa trên topo mạng (topology – based): Các gói dữliệu được định tuyến bằng cách sử dụng thông tin topo mạng Dựa trên thông tin vềtopo mạng được chia thành các loại:

o Proactive: Duy trì các tuyến trước khi luồng dữ liệu nào được gửi, nhưgiao thức DSDV, OSPF, OLSR

o Reactive: Thực hiện việc tìm đường chỉ khi một kết nối được thiết lập,như giao thức DSR, AODV

o Hybrid: Phối hợp định tuyến Proactive khu vực và định tuyến Reactivetoàn bộ để tăng phạm vi, như được đề xuất trong giao thức ZRP, TORA

 Định tuyến dựa trên vị trí (position – based): Các gói dữ liệu được địnhtuyến theo vị trí của các bên giao tiếp Thông tin vị trí này được tạo bởi dịch vụ định vị(location service)

Nguồn: [1],[2].

Hình 3-1: Các giao thức định tuyến

- Giao thức định tuyến Proactive: Mỗi nút mạng luôn luôn phải duy trì cáinhìn bao quát về topo mạng Khi topo mạng có sự thay đổi thông tin tương ứng cậpnhật phải được gửi đi cho tất cả các nút mạng trên mạng để thông báo cho sự thay đổi

đó Hầu như các giao thức định tuyến dạng Proactive dành cho mạng ad-hoc đều thừahưởng các đặt tính của các thuật toán dùng cho định tuyến trong mạng Khi sử dụnggiao thức định tuyến Proactive, mỗi nút mạng luôn cập nhật trạng thái của mạng vàduy trì tuyến đường(path) dù cho tuyến đó có lưu lượng chuyển qua hay không chuyểnqua

Bảng 3-3: Ưu và nhượt điểm của Proactive.

Khi topo mạng thay đổi, các nút mạng sẽ cập

nhật thay đổi topo của mình

Tiêu tốn nhiều băng thông mạng dotin điều khiển gửi đi một cách đều đặn theo phương thức bản tin quảng bá

Mỗi nút mạng có đầy đủ thông tin về topo

mạng, nên khi cần trao đổi thông tin, nút mạng

nguồn sẽ lập tức tìm thấy tuyến đường đi tới

đích

- Giao thức định tuyến Reactive: Giao thức định tuyến Reactive chỉ tạonhững tuyến đường khi có yêu cầu bởi các nút mạng cần trao đổi thông tin Giao thứcReactive hoạt động theo hai chức năng chính: Dò tìm tuyến (Route discovery) và duytrì tuyến(Route maintenance)

 Dò tìm tuyến (Route discovery): khi một nút mạng cần trao đổi thông tinvới nút mạng khác, nó sẽ phát ra bản tin yêu cầu tìm tuyến đường đến đích Quá trìnhnày được coi là hoàn thành khi nó tìm thấy một tuyến đường hay tất cả các tuyếnđường đã được kiểm tra Phương thức ISM (Incremental Search Method) được sửdụng cho việc dò tìm đường

 Duy trì tuyến (Route maintenance): Duy trì tuyến tồn tại (hoạt động) khimột tuyến được thiết lập, nó sẽ đảm bảo việc duy trì tuyến cho đến khi đích đến khôngthể truy cập trên tất cả các tuyến đường từ nguồn hoặc cho đến khi tuyến đường khôngđược yêu cầu nữa Phương thức SRM (Surroundings Repair Method) được dùng đểduy trì tuyến

Phương thức ISM và SRM:

 ISM: Mỗi nút duy trì một bảng danh sách về các hàng xóm của nó ( nút

có đường đi liên kết trực tiếp với nó) Danh sách hàng xóm phục vụ cho việc dò tìmtuyến và duy trì tuyến

 SRM: Mỗi nút mạng phải lưu giữ “ Next Hop” cho mỗi đích trong bảngđịnh tuyến của nó Phương thức này hoạt động ở hai giao thức Proactive và Reactive

Bảng 3-4: Ưu và nhược điểm của Reactive.

Sử dụng ISM dò đường nên ít chiếm

dụng băng thông

Tình trạng trễ trên mạng do phải chờ đợitìm tuyến

Giao thức Reactive chỉ dò tuyến khi có

yêu cầu chứ không gửi bản tin cập nhật

- Giao thức định tuyến DSDV: Sử dụng kỹ thuật đánh số thứ tự sequencenumber Đây là kỹ thuật dùng để nhận ra đường đi không còn giá trị trong quá trìnhcập nhật bảng định tuyến, vì vậy có thể tránh vòng lặp (loops)

- Giao thức định tuyến DSR: Cho phép mạng tự động cấu hình và tổ chức

mà không cần cơ sở hạ tầng hoặc quản trị Có một đặc điểm khá nổi bật của DSR là sửdụng kỹ thuật source routing, khi bên gửi sẽ biết toàn bộ thông tin đường đi đến đích,điều này giúp cho việc định tuyến trên mạng không bị hiện tượng vòng lặp, làm tănghiệu năng mạng DSR gồm có hai cơ chế cơ bản: Route Maintenance và RouteDiscovery, giúp các nút có thể tìm và duy trì các nút của các đường đi đến các núttrong mạng

- Giao thức định tuyến AODV: Là sự kết hợp hoàn hảo từ hai giao thứcDSDV và DSR Đem lại hiệu năng tốt nhất cho mạng Các nút mạng duy trì thông tin

định tuyến khi có nhu cầu trao đổi thông tin và dữ liệu Sử dụng cơ chế tìm đường củaDSR.

- Giao thức định tuyến OLSR: Là giao thức dựa trên thuật toán trạng tháikết nối Link State Các nút gửi định kỳ về toàn bộ mạng thông điệp “ Hello” để mụcđích trao đổi thông tin về hàng xóm

3.2 Giao thức định tuyến AODV

(ID destination) mà nó cần tìm Bản tin RREQ sẽ được quảng bá đến toàn bộcác nút mạng lân cận cho đến khi nào một nút mạng nào đó biết được đường tới đíchhoặc có thể chính nút đích sẽ phát ra bản tin phản hồi lại (RREP) Bản tin RREP sẽđược gửi trở lại nút nguồn, sau đó nút nguồn sẽ thông kê lại các đường dữ liệu đã điqua và hoạt động để chuẩn bị truyền dữ liệu Bản tin RERR là bản tin dùng để tổnghợp tất cả các lỗi trong đường truyền, RERR sẽ gửi lại cho nút mạng nguồn biết thôngtin lỗi, tùy vào thời gian hữu dụng còn hay không mà nút mạng nguồn sẽ cho phéptruyền lại dữ liệu lỗi ấy

3.2.2 Thuật tìm đường

Quá trình tìm đường xảy ra khi và chỉ khi có một nút mạng muốn truyền dữ liệuthông tin cho một nút mạng nào đó mà đường liên kết của chúng không được tìm thấytrong bảng định tuyến Mỗi nút mạng luôn được duy trì bởi hai bộ đếm: Số thứ tự nút

và ID quảng bá Nút nguồn sẽ tìm đường bằng cách gửi bản tin quảng bá RREQ đếntất cả các nút mạng lân cận với nó

Cấu trúc bản tin RREQ như sau:

<source_address, source_sequence#, broadcast_ID, destination_address, destination_sequence#, hop_counter>

<Source_address> và <boardcast_ID> luôn đi đôi với nhau dùng để kiểm tra

tránh hiện tượng vòng lặp vô tận xảy ra Sau khi tạo ra được một bản tin RREQ, bảntin RREQ sẽ được gửi đến cho các hàng xóm lân cận

<Source_address> chứa địa chỉ nguồn.

Ví dụ: dữ liệu từ node A gửi sao node E, vậy <source_address> = ‘A’.

<Broadcast_ID> chứa giá trị ứng với <source_address> Mỗi khi nút mạng nguồn phát một bản tin RREQ mới, giá trị <broadcast_ID> sẽ tăng lên một đơn vị.

Ví dụ: <source_address> =’A’, node A sẽ gửi RREQ cho node B, node C và node D Vậy broadcast của node A sẽ <broadcast_ID> = ‘3’.

<Source_sequence#> chứa giá trị ứng với địa chỉ nguồn, mặc định có thể gán giá trị ban đầu của <source_sequence#> =’1’

Ví dụ: <Source_address> =’A’, sẽ có <source_sequence#> =’1’ Có thể gắn

một giá trị bất kì nào miễn sao lớn hơn 0

<destination_address> chứa địa chỉ đích đến.

Ví dụ: dữ liệu từ node A gửi sao node E, vậy thì <destination_address> =’E’ Quá trình tìm đường: <Source_address> và <boardcast_ID> sẽ tạo ra một

RREQ (node nguồn A) Node nguồn A sẽ gửi RREQ đến tất cả các node mạng hàngxóm của nó

Sau khi một nút mạng hàng xóm nhận được RREQ, nó sẽ tạo ra một tuyếnđường đảo chiều tới nguồn phát và tăng số bước (hop_couter) lên một đơn vị để ghinhận bước nhảy tới nguồn Tiếp theo nó sẽ kiểm tra xem có tuyến đường đến đíchkhông (thông qua bảng định tuyến), nếu không có tuyến đường đến đích, bản thân nó

sẽ phát ra bản tin RREQ để tiếp tục quảng bá

Cấu trúc bản tin RREP

<source_address, destination_address, destionation_sequence#,

hop_couter, lifetime>

Để bản tin RREP được gửi lại các node mạng phải thỏa hai điều kiện:

 Phải đảm bảo không bị lặp vô tận thông qua

Nguồn: [1],[3].

N

Hình 3-2: Khám phá định tuyến AODV

Hình 3-3: Node A muốn gửi dữ liệu cho node E.

Hình 3-4: Bản tin RREQ được thiết lập.

<source_address, source_sequence#, broadcast_ID, destination_address, destination_sequence#, hop_counter>

Node A sẽ gửi RREQ đến tất cả các node mạng lân cận (hàng xóm) của nó

Hình 3-5: Bản tin RREQ được broadcast

Hình 3-6: Bản tin RREQ được broadcast