Mô phỏng, so sánh, phân tích và đánh giá hiệu năng của giao thức DSDV và AODV trong mạng AD HOCc

LỜI CẢM ƠNLời đầu tiên cho em gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả các thầy, côgiáo Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông - Đại Học TháiNguyên nói chung và các thầy cô g

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho em gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả các thầy, côgiáo Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông - Đại Học TháiNguyên nói chung và các thầy cô giáo trong Bộ môn Mạng và Truyền thông nóiriêng, đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em vốn kiến thức cũng như những kinhnghiệm quý báu để em có thể đạt được kết quả tốt nhất trong học tập cũng nhưtrong công việc của em sau này Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáoThS Đỗ Đình Cường - người đã trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ em trong thời gianlàm đồ án vừa qua Trong thời gian hướng dẫn tuy thầy rất bận nhưng thầy vẫndành thời gian chỉ bảo truyền đạt cho em những kinh nghiệm và những địnhhướng cho bài báo cáo của em đảm bảo kết quả, và hoàn thành đúng thời giantheo quy định

Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành đồ án trong phạm vi và năng lực chophép, tuy nhiên không thể nào tránh khỏi được những sai sót, em rất mong nhậnđược sự cảm thông và những ý kiến đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn để

đề tài có thể phát triển và hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, Tháng 06 Năm 2012

Sinh viên

Nguyễn Phương Bắc

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan: Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sựcủa cá nhân em và được thực hiện trên cơ sở kiến thức lý thuyết đã thu được từquá trình học tập tại trường và tự tìm hiểu của bản thân dưới sự hướng dẫn khoahọc của ThS Đỗ Đình Cường Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đồ án làtrung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước khi bảo

vệ Đồ án có sử dụng một số nhận xét đánh giá cũng như số liệu của các tác giả,

cơ quan tổ chức khác, điều này được thể hiện trong phần tài liệu tham khảo Nếuphát hiện có bất kỳ sự gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hộiđồng bảo vệ, cũng như kết quả đồ án của mình

Thái Nguyên, tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Phương Bắc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

1.1 Lịch sử phát triển của mạng Ad hoc 9

1.2 Những đặc điểm cơ bản của mạng Ad hoc 10

1.2.1 Phân loại mạng Ad hoc 10

1.2.2 Đặc điểm chính của mạng Ad hoc 11

1.3 Khái niệm hiệu năng mạng 13

1.3.1 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng 13

1.3.2 Các thông số đánh giá hiệu năng mạng 15

1.4 Tổng quan về NS2 16

1.4.1 Kiến trúc của NS2 17

1.4.2 Đặc điểm của NS2 21

1.4.3 Các thành phần cấu hình mạng trong NS-2 21

1.4.4 Ứng dụng trong NS-2 26

1.4.5 Các Agent chính trong NS2 31

1.4.6 Ngôn ngữ mô phỏng trong NS2: 34

Chương 2: GIAO THỨC AODV VÀ DSDV TRONG MANET 39

2.1 Giao thức DSDV 39

2.1.1 Giới thiệu 39

2.1.2 Cấu trúc bảng định tuyến 39

2.1.3 Cơ chế hoạt động 40

2.1.4 Tiêu chuẩn để lựa chọn tuyến 41

2.1.5 Ví dụ về hoạt động của DSDV 43

2.1.6 Kết luận 48

2.2 Giao thức AODV 48

2.2.1 Định tuyến trong AODV 50

2.2.2 Đặc tính của AODV 55

Chương 3: MÔ PHỎNG, SO SÁNH, PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CỦA GIAO THỨC AODV VÀ DSDV TRÊN NS2 57

3.1 Mô phỏng hoạt động của giao thức AODV và DSDV trên NS2 57

3.1.1 Mô phỏng giao thức DSDV 58

3.1.2 Mô phỏng giao thức AODV 59

3.2 Đánh giá hiệu năng mạng của giao thức DSDV và AODV 61

3.2.1 Packet loss (mất gói) 61

3.2.2 Throughput (Thông lượng) 61

3.2.3 Delay (Độ trễ) 62

3.3 Tổng kết 64

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CSMA/CA Carrier sense multiple access with collision avoidanceCSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectionIEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Tính động trong mạng Ad hoc 12

Hình 1.2: Mô hình đơn giản của NS 17

Hình 1.3: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong Name 18

Hình 1.4: Kiến trúc của NS2 19

Hình 1.5: TclCL hoạt động như lien kết giữa A và B 19

Hình 1.6 Cấu trúc Heap giảm 23

Hình 2.1: Sự di chuyển trong mạng Ad-hoc 43

Hình 2.2: Các tuyến thay đổi thất thường 47

Hình 3.1: Bắt đầu mô phỏng DSDV 58

Hình 3.2: Các nút di chuyển 58

Hình 3.3: Truyền các gói tin cho nhau trong DSDV 59

Hình 3.4: Bắt đầu mô phỏng giao thức AODV 59

Hình 3.5: Các nút di chuyển 60

Hình 3.6: Truyền các giao thức cho nhau trong giao thức AODV 60

Hình 3.7: Biểu đồ so sánh sự mất gói tin giữa 2 giao thức AODV và DSDV 61

Hình 3.8: Biểu đồ hiển thị thông lượng giữa 2 giao thức AODV và DSDV 62

Hình 3.9: Độ trễ của DSDV 63

Hình 3.10: Độ trễ của AODV 63

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Cấu trúc bảng định tuyến truyền đi của MH4 44 Bảng 2.2: Bảng định tuyến quảng bá của MH4 44 Bảng 2.3: Bảng định tuyến truyền đi của MH4 45

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của các thiết bị phần cứng đã và đang tạo động lực để mạng diđộng phát triển với nhiều loại hình mạng và dịch vụ khác nhau Trong số nhữngloại hình mạng, mạng Ad hoc đã thu hút được nhiều sự quan tâm của giới chuyênmôn Với những đặc điểm nổi bật như: khả năng không sử dụng cơ sở hạ tầng, cácnút mạng có thể di chuyển theo hướng và tốc độ tùy ý, mạng Ad hoc có thể đápứng được yêu cầu khắt khe của những ứng dụng trong môi trường đặc biệt như:chiến trường, thám hiểm, lò vũ khí hạt nhân, nơi xảy ra thiên tai, hỏa hoạn… Tuynhiên, mạng Ad hoc cũng gặp nhiều thách thức trong môi trường truyền thông dochính những đặc điểm của nó Vì vậy, việc đảm bảo chất lượng truyền tin trongmạng Ad hoc là một vấn đề cần được quan tâm Nếu trong các mạng cố định, địnhtuyến là vấn đề không thể thiếu thì trong mạng Ad hoc - là mạng định tuyến động -định tuyến là cơ chế quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ Vậy làm thế nào

để nâng cao chất lượng truyền tin trong mạng Ad hoc?

Với suy nghĩ trên, cùng với sự định hướng và chỉ dẫn của Th.S Đỗ ĐìnhCường em đã chọn đề tài “Mô phỏng, so sánh, phân tích và đánh giá hiệu năngcủa giáo thức DSDV và AODV trong mạng Ad-hoc” Mục tiêu của đồ án lànghiên cứu Giao thức DSDV và AODV và xây dựng mô hình định tuyến Em xinchân thành cám ơn Th.S Đỗ Đình Cường đã tận tình hướng dẫn để em có thểhoàn thành đề tài

Thái nguyên, tháng 6 năm 2012

Sinh viên Nguyễn Phương Bắc

Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Lịch sử phát triển của mạng Ad hoc

Mạng Ad hoc xuất phát từ mạng vô tuyến gói Vì vậy, trước hết bài đồ ántóm tắt vài nét tìm hiểu qua về sự ra đời và phát triển của mạng vô tuyến gói

Sự phát triển vô tuyến gói cho truyền thông máy tính ra đời đầu tiên vào năm

1970 là một phần của dự án ALOHANET được thực hiện bởi Đại học Hawaii.ALOHANET bao gồm một mạng vô tuyến để kết nối các máy tính trong trường đạihọc với nhau Tuy nhiên, mạng mới chỉ gồm các nút mạng giao tiếp trực tiếp vớinhau Từ dự án ALOHANET, vô tuyến gói phát triển trên hai hướng chính là: cácmạng vô tuyến gói nghiệp dư và các mạng vô tuyến gói quân sự Trong đó mạng vôtuyến gói quân sự là nền tảng cho sự phát triển của mạng Ad hoc

Bên cạnh phát triển ALOHANET, DARPA (Defense Advanced ResearchProjects Agency) dự án mạng vô tuyến gói (Packet Radio Network - PRNET) mởrộng vô tuyến gói đơn bước thành mạng vô tuyến gói đa bước (multi-hop) đượcphát triển từ năm 1972 đến năm 1983, dự án PRNET thiết kế và kiểm tra các giaothức trong môi trường mà các nút mạng trên nền tảng di động Kết quả là cácgiao thức đã tự động thích ứng với sự thay đổi tôpô mạng Năm 1987, PRNET hỗtrợ cho 183 nút mạng, cả các trạm vô tuyến gói và các trạm tham gia Nó sử dụnggiao thức vector khoảng cách để định tuyến

Khi dự án PRNET chấm dứt, dự án SUAN (Survivable AdaptiveNetwork) bắt đầu và thực hiện từ năm 1983 tới năm 1992 SUSAN lại được tiếptục bởi dự án GLoMo (Global Mobile Information System - Hệ thống thông tin

di động toàn cầu) thực hiện từ 1995 đến 2000 Tiếp theo, dự án NTDR (NearTerm Digital Radio) được thực hiện để phát triển vô tuyến gói một cách chiếnthuật để triển khai trên chiến trường

Trên cơ sở dự án ALOHANET, PRNET… mạng Ad hoc đã ra đời đápứng nhu cầu không chỉ trong quân sự mà trong giao dịch thương mại và nhu cầuđời sống Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu qua về mạng Ad hoc

1.2 Những đặc điểm cơ bản của mạng Ad hoc

Như đã giới thiệu ở mục 2.1, lịch sử của các mạng vô tuyến được bắt đầu

từ những năm 1970 và từ đấy đã thu hút được sự quan tâm đặc biệt của thế giới.Trong suốt thập kỷ sau, sự quan tâm này đã bùng nổ bởi sự phát triển nhanhchóng của Internet và sau đấy là công nghệ mạng không dây Mạng không dây làmột công nghệ nổi bật hiện nay, nó cho phép người sử dụng truy nhập thông tin

và các dịch vụ xử lý số liệu bằng điện tử mà không quan tâm tới vị trí địa lý của

họ Các loại mạng không dây có thể chia thành hai loại: mạng có cơ sở hạ tầng(thường được biết đến như các WLAN) và mang không có cơ sở hạ tầng (thườnggọi là Ad hoc) Mạng Ad hoc với những khả năng ưu việt vẫn đang được tiếp tụcphát triển và sẽ phổ biến trong tương lai không xa

1.2.1 Phân loại mạng Ad hoc

Có hai loại mạng Ad hoc không dây là: Mạng Ad hoc di động (MANET)

và mạng cảm ứng thông minh

Mạng cảm ứng thông minh bao gồm một số những sensor rải dọc theo mộtvùng địa lý Mỗi sensor có khả năng kết nối không dây và khả năng hiểu biết để

xử lý tín hiệu và hoạt động mạng của dữ liệu

MANET là một tập độc lập các nút mạng hoặc người sử dụng di động màkết nối qua đường không dây Ví dụ: thiết lập liên lạc trong những tình trạngkhẩn cấp hoặc các hoạt động cứu trợ, những nỗ lực làm giảm nhẹ thảm hoạ vàcác mạng lưới thông tin quân sự Trong những viễn cảnh này, việc kết nối tậptrung không thể tin cậy, do đó MANET sẽ là một giải pháp hiệu quả Với mạngtập trung, các nút mạng phải thực hiện tìm ra tôpô mạng và chuyển giao thôngbáo Với MANET, thuật toán tìm đường ngắn nhất không đáp ứng như một thuậttoán định tuyến tối ưu Các nhân tố như: chất lượng kết nối không dây thườngxuyên biến đổi, mất đường truyền, sự giảm âm, nhiễu do nhiều người sử dụng,nguồn điện sử dụng và sự thay dổi topo trở thành những vấn đề quan trọng.Mạng phải thay đổi một cách phù hợp với định tuyến để làm giảm bớt những tácđộng trên

MANET dựa trên những nền tảng di động MANET là một hệ thống độclập của các nút mạng di động và nó có thể hoạt động một cách riêng biệt hoặc cóthể có các gateway như mạng cố định Những nút mạng MANET được trang bịnhững máy phát không dây và máy thu sử dụng anten mà có thể tác dụng theomọi hướng (quảng bá) và có thể định hướng ở mức độ cao (điểm tới điểm).

Trong phạm vi chủ đề của bài đồ án sẽ chỉ tập trung nghiên cứu về mạng

Ad hoc di động (MANET) Vì vậy, thuật ngữ “mạng Ad hoc” ở các phần sauchính là nói tới mạng MANET

1.2.2 Đặc điểm chính của mạng Ad hoc

Điểm nổi bật nhất trong mạng Ad hoc là không có các thiết bị cơ bản cốđịnh ngoại trừ các nút mạng di động tham gia, tất cả các nút mạng đều di động và

có thể được kết nối động một cách ngẫu nhiên

Kết nối giữa các nút mạng có thể thay đổi theo thời gian do tính chuyểnđộng của các nút mạng, sự ra đi của nút mạng và sự xuất hiện của những nútmạng mới làm cho các giao thức mạng trở nên động và không thể dự báo được

Vì thế, topo của mạng là động nhiều hơn và sự thay đổi thường xuyên không thể

dự báo trước được

Như đã trình bày ở trên, sự kết nối giữa các máy tính di động tạo thànhmột mạng gọi là mạng Ad-hoc khác với các loại mạng đang tồn tại Thứ nhất làhình trạng của mạng có thể là khá động Thứ hai phần lớn người dùng khôngmuốn thực hiện các hoạt động quản lý để thiết lập một mạng Các nút mạngkhông chắc chắn là đều nằm trong vùng truyền thông của các nút mạng khác.Một nút di động có thể trao đổi dữ liệu với hai nút di động khác mà hai nút nàykhông thể trực tiếp trao đổi dữ liệu với nhau Kết quả là người dùng có thể khôngcần đến sự kết hợp dựa trên các kết nối duy trì mạng, đặc biệt khi người dùng dichuyển từ nơi này đến nơi khác Hình 1.1 mô tả tính động trong mạng Ad hoc

Hình 1.1: Tính động trong mạng Ad hoc Đầu tiên, nút mạng A và D có một kết nối trực tiếp giữa chúng Khi D di chuyển ra ngoài vùng vô tuyến của A thì kết nối bị đứt (Tôpô mạng thay đổi) Tuy nhiên, mạng vẫn được kết nối vì A có thể liên lạc với D qua C, E và F.

Bên cạnh đó, các nút mạng cũng có thể tự do di chuyển theo các hướng vàtốc độ tùy trong quá trình truyền thông

Ngoài ra, các nút mạng hoặc thiết bị Ad hoc có thể phát hiện những thiết

bị khác mới xuất hiện để cho phép việc liên lạc và chia sẻ thông tin Bên cạnh đó,nút mạng cũng có thể nhận biết các loại dịch vụ và những thuộc tính tương ứng.Khi các nút mạng thay đổi trên quãng đường, thông tin định tuyến cũng sẽ thayđổi để phản ánh kịp thời những thay đổi trong kết nối

Tóm lại, mạng Ad hoc có những đặc điểm nổi bật sau:

- Không có cơ sở hạ tầng, không cần người quản lý

trọng trong mạng không dây và nó có ảnh hưởng tới những vấn đề liên quan khác(như vấn đề bảo mật, tài nguyên, nguồn năng lượng…) Và cũng vì thế đặt ranhiều thách thức đối với mạng Ad hoc.

1.3 Khái niệm hiệu năng mạng

Hiệu năng mạng là một vấn đề phức tạp do các yếu tố có thể tổng hợp đưa

ra nhằm đánh giá vấn đề hiệu năng chưa thực sự rõ ràng Đã có nhiều khái niệm,tham số được đưa ra nhằm minh chứng cho bản chất của vấn đề hiệu năng, lý giảicho việc truyền thông tin hiệu quả hay kém hiệu quả giữa các hệ thống trongmạng Tuy nhiên, trong thực tế rất cần có những khái niệm bản chất và sát thựctiễn với mục tiêu đánh giá được toàn bộ vấn đề hiệu năng bao gồm cả các yếu tố

đo đạc, theo dõi, điều khiển đều được tính đến Có thể sơ lược khái niệm hiệu năng

mạng như sau: Hiệu năng mạng là hiệu quả và năng lực hoạt động của hệ thống

mạng Như vậy, việc đánh giá hiệu năng mạng chính là tính toán và xác định hiệu

quả, năng lực thực sự của hệ thống mạng trong các điều kiện khác nhau

Các điều kiện được sử dụng trong đánh giá hiệu năng là rất quan trọng,chúng ảnh hưởng trực tiếp tới các kết quả thu được Trong các điều kiện ảnhhưởng tới quá trình đánh giá hiệu năng thì kịch bản mô tả là yếu tố then chốtquyết ðịnh giá trị hiệu nãng tại ðiểm cần ðo Trong kịch bản cần xác ðịnh cáctham số ðầu vào rõ ràng như các nút tham gia hệ thống, thiết bị kết nối, tác nhântham gia, giao thức hoạt động, ứng dụng triển khai, thời gian thực hiện, và rấtnhiều yếu tố khác kết hợp tạo ra một kịch bản hoàn thiện

1.3.1 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng

1.3.1.1 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 thểxác định các ngưỡng giá trị của hệ thống qua việc xác định mối tương quan giữacác yếu tố trước khi tồn tại hệ thống Nhưng khi áp dụng trong thực tế, việc mô tả

đầy đủ các yếu tố đầu vào cho bài toán là cực kỳ khó khăn do vậy kết quả củaphương pháp này còn nhiều hạn chế.

1.3.1.2 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 kết quả từ mô hình thật là rất quan trọng Khi thực hiện đo thực tế, người

đo phải dựng ra được các kịch bản cần đo từ đó tạo ra những điều kiện giống vớikịch bản thực tế và sử dụng các công cụ đo như phần mềm, thiết bị đo để thunhận các kết quả thực tế từ hoạt động của hệ thống theo kịch bản Thông thườngvới phương pháp đo thực tế cho chúng ta kết quả với độ chính xác rất cao, tuynhiên việc đầu tư quá lớn trước khi biết kết quả hoạt động nhiều khi gây ra sựlãng phí vì vậy giải pháp đo thực tế chỉ được sử dụng để giám sát hoạt độngmạng Để đo được giá trị hiệu năng, quan trọng nhất là lấy thông tin chính xác về

hệ thống Hiện nay phổ biến có 3 phương pháp lấy thông tin sau:

- Truy vấn trực tiếp các node mạng để lấy trực thiếp 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

1.3.2 Các thông số đánh giá hiệu năng mạng

Có nhiều tham số khác nhau để đánh giá hiệu năng của các giao thức địnhtuyến Chúng ta thường sử dụng ba tham số để so sánh hiệu suất mạng tổng thểkhi dùng hai giao thức định tuyến khác nhau Các thông số này là độ trễ, mất mátgói tin và thông lượng Những thông số này rất quan trọng trong việc xem xétđánh giá của các giao thức định tuyến trong một mạng Các giao thức này cầnđược kiểm tra với các thông số nhất định cho hoạt động vủa nó Để kiểm tra hiệuquả giao thức trong việc tìm kiếm một tuyến đường đến đích, chúng ta sẽ xemxét đến nguồn đó để kiểm soát các gói tin gửi đi Nếu các giao thức định tuyến có

độ trễ cao thì giao thức đó không hiệu quả khi so sánh với các giao thức có độ trễthấp hơn Giao thức nào bị mất gói tin nhiều sẽ không hiệu quả bằng giao thứcmất ít gói tin Thông lượng là lượng thông tin thực tế truyền qua một liên kếttrong một đơn vị thời gian Nếu giao thức nào có thông lượng cao thì sẽ hiệu quảhơn so với giao thức có thông lượng thấp Những thông số này có ảnh hưởng rấtlớn trong việc lựa chọn giao thức định tuyến cho một mạng cụ thể

Delay[A] = tgnhan[A] – tggui[A]

1.3.2.2 Throughput

Thông lượng (Throughput) là lượng thông tin hữu ích được truyền đi trênmạng trong một đơn vị thời gian và nó là tham số để đánh giá mạng nhanh haychậm Đơn vị của thông lượng là byte hoặc bit trên giây (byte/s hoặc bit/s) Một

số thông số ảnh hưởng đến thông lượng là sự thay đổi về liên kết mạng, truyềnthông không tin cậy giữa các node, hạn chế về băng thông Một thông lượng cao

là sự lựa chọn tuyệt vời cho mạng Cách tính thông lượng có thể được biểu diễnmột cách toán học như sau:

- Number of delivered packet: Tổng số gói tin mà bên nhận nhận được từbên gửi

- Packet size: Kích thước gói tin (byte)

- Total duration of simulation: Khoảng thời gian từ lúc bên nhận nhận góitin đầu tiên và gói tin cuối cùng

Mục đích của NS-2 là tạo ra một 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 racác mô hình mạng phức tạp

Phiên bản thứ nhất của NS được phát triển vào năm 1995 và phiên bản thứhai ra đời năm 1996 NS-2 là phần mền mã nguồn mở có thể chạy được trongmôi trường Linux và Window

1.4.1 Kiến trúc của NS2

NS thực thi các giao thức mạng như giao thức điều khiển truyền tải (TCP)

và thức gói thường dùng (UDP), các dịch vụ nguồn lưu lượng như giao thứctruyền tập tin (FTP), tốc độ bit cố định (CBR) và tốc độ bit thay đổi (VBR)

Các kỹ thuật quản lý hàng đợi như Vào trước Ra trước (Drop Tail), Dòsớm ngẫu nhiên (RED) và CBQ, các thuật toán định tuyến như Dijkstra…NScũng thực thi multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cập đường truyền(MAC) đối với mô phỏng LAN

Hình 1.2: Mô hình đơn giản của NS

Otcl: Kịch bản OTcl

Simulation Program: Chương trình Mô phỏng

hướng đối tượng

NS Simulation Library: Thư viện mô phỏng NS

Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện

NAM: Minh họa Mạng NAM

NS-2 bao gồm:

- Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện

- Các đối tượng Thành phần mạng

- Các modun trợ giúp thiết lập mạng (modun Plumbing)

- Để sử dụng NS-2, user lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl User cóthể thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mớitrong OTcl Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc

- Kịch bản OTcl có thể thực hiện những việc sau:

- Khởi tạo Bộ lập lịch sự kiện

- Thiết lập Mô hình mạng dùng các đối tượng Thành phần mạng

- Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packettrong Bộ lập lịch sự kiện

- Bộ lập lịch sự kiện trong NS2 thực hiện những việc sau:

- Tổ chức bộ định thời mô phỏng

- Hủy các sự kiện trong hàng đợi sự kiện

- Triệu gọi các Thành phần mạng trong mô phỏng

- Phụ thuộc vào mục đích của User đối với kịch bản mô phỏng OTcl màkết quả mô phỏng có thể được lưu trữ như file trace

- File name trace ( file.nam) được dùng cho công cụ Minh họa mạng Nam

- File Trace (file.tr) được dùng cho công cụ Lần vết và Giám sát Mô phỏng XGRAPH hay TRACEGRAPH

Hình 1.3: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong Name

- Trong mô phỏng mạng dùng NS2 ta sử dụng:

- NAM Visual Simulation: Mô phỏng ảo NAM

- Tracing and Monitoring Simulation: Mô phỏng lần vết và Giám sát

Hình 1.4: Kiến trúc của NS2

Hình trên biểu diễn kiến trúc của NS-2 User có thể tưởng tượng mìnhđang đứng ở góc trái dưới, thiết kế và chạy các mô phỏng trong Tcl Tcl dùng cácđối tượng mô phỏng trong OTcl Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện và các đốitượng thành phần mạng thực thi bằng C++ và sẵn có cho OTcl qua một liên kếtOTcl Liên kết OTcl này được thực thi dùng TclCL Tất cả đã làm nên NS, bộbiên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng và các thư viện mô phỏng mạng

NS sử dụng hai ngôn ngữ lập trình: Ngôn ngữ kịch bản OTcl và ngôn ngữlập trình hệ thống C++

C/C++

TclCL là ngôn ngữ được sử dụng để cung cấp liên kết giữa C++ và OTcl.Các kịch bản Tcl/OTcl được viết để thiết lập và cấu hình topology của mạng.TclCL cung cấp liên kết giữa phân cấp lớp, khởi tạo đối tượng, nối kết biến vàgửi lệnh.

NS phải sử dụng đến 2 ngôn ngữ vì Bộ mô phỏng cần thực hiện hai việckhác nhau:

Việc 1: Các mô phỏng cho các giao thức yêu cầu một ngôn ngữ lập trình

hệ thống có thể tính toán hiệu quả các byte, các tiêu đề packet và các thuật toánthực thi đang chạy trên một tập dữ liệu lớn Với tác vụ này, run-time speed (tốc

độ thời gian chạy thực) là quan trọng trong khi turn – around time ( thời gianthay đổi) thì ít quan trọng hơn Turn- around time bao gồm thời gian chạy môphỏng, thời gian tìm lỗi, thời gian sửa lỗi, thời gian biên dịch lại và thời gianchạy lại

Việc 2: Khi nghiên cứu mạng thì rất cần quan tâm đến các tham số và cấuhình có thay đổi nhưng không đáng kể, hay quan tâm đến các scenario ( tìnhhuống) cần khám phá thật nhanh chóng Trong tác vụ này thì iteration time ( thờigian lặp lại, tức là thời gian thay đổi mô hình và chạy lại) là quan trọng hơn Vìcấu hình chỉ chạy một lần lúc bắt đầu mô phỏng nên run-time trong tác vụ này rõràng kém quan trọng hơn

Vì thế mà dùng C++ để:

Mô phỏng giao thức chi tiết theo yêu cầu ngôn ngữ lập trình hệ thống

- Thao tác trên byte, xử lý gói, thực thi thuật toán

- Tốc độ thời gian thực là quan trọng nhất

- Thực hiện bất kỳ việc gì mà cần phải xử lý từng packet của một luồng

- Thay đổi hành vi của lớp C++ đang tồn tại theo những hướng đã khôngđược lường trước

Dùng OTcl để:

- Mô phỏng những thông số hay cấu hình thay đổi

- Cấu hình, thiết lập những gì chỉ làm 1 lần

- Thực hiện những cái ta muốn bằng cách thao tác trên các đối tượng C++đang tồn tại.

1.4.2 Đặc điểm của NS2

NS-2 thực thi những tính năng sau:

- Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router như DropTail, RED, CBQ

- 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

1.4.3 Các thành phần cấu hình mạng trong NS-2

Lớp Simulator: Trong bộ công cụ giả lập NS-2, lớp quan trọng nhất là

lớp Simulator Nó cung cấp các thủ tục, giao tiếp để tạo, quản lý topology và lưugiữ các tham số cấu hình của các thành phần trong topology Thông thường, cáckịch bản giả lập thường bắt đầu bằng việc tạo một thể nghiệm của lớp Simulator

để điều khiển và thực hiện việc giả lập, sau đó gọi các phương thức để tạo cácnode, topo và cấu hình cho các node, các liên kết, ứng dụng …

Khởi tạo đối tượng Simulator: Cú pháp để khởi tạo một đối tượng

Simulator như sau:

set ten_doi_tuong [new Simulator]

set ns_ [new Simulator]

Sau khi khởi tạo đối tượng thì thủ tục khởi tạo sẽ thực hiện các công việc:

+ Khởi tạo định dạng của gói dữ liệu (gọi hàm create_packetformat).

+ Tạo một bộ lập lịch (scheduler) , mặc định là calendar scheduler.

+ Tạo một “null agent” null agent được tạo bằng cú pháp:

set nullAgent_ [new Agent/Null]

Các bộ lập lịch và các sự kiện: Hiện tại NS-2 cung cấp bốn bộ lập lịch cho

công cụ giả lập:

+ List scheduler

+ Heap Scheduler

+ Calendar scheduler

+ Real time scheduler

Quy trình làm việc của bộ lập lịch như sau: Bộ lập lịch các sự kiện sẽ chọn

sự kiện kế tiếp gần nhất trong bộ lập lịch để thực thi, sau khi thực thi xong sẽ trở

về để thực thi sự kiện kế tiếp Đơn vị thời gian dùng trong bộ lập lịch được tínhbằng giây Hiện tại, bộ công cụ giả lập chỉ sử dụng tiến trình đơn, tức là tại mộtthời điểm chỉ có một sự kiện được xử lý Nếu có nhiều sự kiện trong bộ lập lịchthì sự kiện nào vào trước sẽ được xử lý trước Trong mỗi kịch bản giả lập chỉđược sử dụng một bộ lập lịch

trúc dữ liệu danh sách liên kết đơn Bộ lập lịch này dùng thời gian để phânbiệt thứ tự các sự kiện vì vậy khi thêm hoặc xóa một sự kiện cần phải tìmkiếm cả danh sách để chọn một entry thích hợp Khi chọn sự kiện kế tiếp đểthực thi thì cần phải dời các sự kiện còn lại lên một vị trí

Heap để cài đặt Cấu trúc dữ liệu này cao cấp hơn so với danh sách liên kết vì

lưu trữ được nhiều sự kiện hơn.Độ phức tạp của các thao tác thêm, xóa bằng

O(log n) tương ứng với n sự kiện.

- Bộ lập lịch Calendar Scheduler: (lớp Scheduler/Calendar) sử dụng cấu

trúc dữ liệu tương tự như lịch tính dương lịch, mà các sự kiện cùng ngày,tháng của các năm khác nhau có thể được lưu trữ trong cùng một ngày

RealTime) đồng bộ thực thi các sự kiện trong thời gian thực Bộ lập lịch nàyvẫn đang trong giai đoạn phát triển

Định nghĩa Cấu trúc Heap:Heap là cây nhị phân gần đầy được cài đặt bằng

mảng một chiều với các node trên heap có nội dung nhỏ hơn hoặc bằng nội dungcủa node cha Heap này được gọi là heap giảm (descending heap ) Heap tăng( ascending heap ) thì ngược lại: các node trên heap có nội dung lớn hơn hoặcbằng nội dung của node cha

Hình 1.6 Cấu trúc Heap giảm

Cấu trúc heap giảm được cài đặt bằng cây nhị phân và mảng một chiều

Các phương thức khác:Lớp Simulator còn cung cấp thêm một số

phương thức cho việc cài đặt các thông số cho việc giả lập.

- Các phương thức này bao gồm ba loại:

+ Các phương thức tạo, quản lý các node, topo và các liên kết

+ Các phương thức thực hiện việc ghi nhận kết quả của quá trình giả lập.+ Các phương thức trợ giúp tương tác với bộ lập lịch

- Các phương thức bao gồm:

+ Simulator instproc now: trả về thời gian hiện tại

+ Simulator instproc at args: thực thi sự kiện ở thời điểm cụ thể

+ Simulator instproc cancel args: hủy bỏ việc thực thi sự kiện

+ Simulator instproc run args: bắt đầu khởi động bộ lập lịch.

+ Simulator instproc halt: dừng bộ lập lịch

+ Simulator instproc flush-trace: flush all trace object write buffers

+ Simulator instproc create-trace type files src dst: tạo đối tượng trace.+ Simulator instproc create_packetformat: thiết lập định dạng gói dữ liệu

Tạo Node: Để tạo một node trong Tcl ta dùng cú pháp:

set ns_ [new Simulator]

$ns node

Một node trong NS chứa ít nhất các thành phần sau:

+ Địa chỉ hoặc số ID, giá trị này khởi tạo bằng 0, và tuần tự tăng 1 đơn

vị khi có một node mới được tạo ra

+ Danh sách các node láng giềng của nó (neighbor_)

+ Danh sách các Agent (agent_ )

+ Loại node (nodetype_ ).

+ Module định tuyến của node

Cấu hình cho MobileNode: Cấu hình cho node chủ yếu tập trung vào

Wireless Bao gồm các thông số sau: loại cấu trúc ðịa chỉ sử dụng là ðịa chỉ ðẳngcấp hay phân cấp, ðịnh nghĩa các thành phần mạng cho mobilenode: ðịa chỉMAC, loại Antenna, sóng truyền, lựa chọn giao thức định tuyến, định nghĩa môhình năng lượng, …

set topo [new Topography]

$ns_ node-config -addressingType hierarchical \

Cấu hình cho Base-Station Node: Cấu hình cho Base-Station Node

tương tự như cấu hình của WirelessNode tuy nhiên, Base-Station có khả năngđịnh tuyến đến mạng có dây trong khi MobileNode thì không có khả năng đó Do

đó, để cấu hình cho Base-Station Node, ta thêm thuộc tính:

$ns_ node-config –wiredRouting ON

Tạo liên kết cho các Node: Trong NS-2 có hai loại liên kết các node:

+ Liên kết đơn công

+ Liên kết song công

Liên kết đơn công là loại liên kết theo kiểu point-to-point giữa hai node

mà chỉ có một node truyền và một node nhận Lớp tương ứng trong OTcl của liênkết đơn công là lớp SimpleLink Cú pháp của liên kết đơn công giữa hai node:

set ns_ [new Simulator]

$ns_ simplex-link <node0> <node1>

<bandwidth><delay>< queue_type>

Câu lệnh trên tạo ra một liên kết từ node0 đến node1 với một giá trị băng

thông bandwidth, thời gian trễ giữa hai lần truyền delay và liên kết sử dụng loại hàng đợi queue_type Loại hàng đợi đã được đề cập ở trên.

Liên kết song công cũng là liên kết point-to-point giữa hai node nhưngmỗi node đều có khả năng vừa truyền và vừa nhận, tức liên kết song công là hailiên kết đơn công Cú pháp cũng tương tự như liên kết đơn công:

set ns_ [new Simulator]

$ns_ duplex-link <node0> <node1> <bandwidth>

<delay> < class Application: public TclOject {

public:

Application();

virtual void send(int nbytes);

virtual void recv(int nbytes);

virtual void resume();

protected:

int command(int argc, const char* const* argv);

virtual void start();

virtual void stop();

Agent *agent_;

int enableRecv_; // call Otcl recv or not

int enableResume_; // call Otcl resume or not

Lớp Application cung cấp một số phương thức cơ bản cho quá trình hoạt

động của một ứng dụng: send(), recv(), resume(), start(), stop(), một con trỏ trỏ

đến giao thức ở tầng vận tải bên dưới mà nó kết nối

1.4.4.2 Mạng không dây trong NS-2

Thành phần quan trọng nhất trong mô hình mạng không dây làMobileNode.Trong C++, lớp MobileNode được kế thừa từ lớp cha là lớp Node

Do đó,MobileNode có đầy đủ các đặc điểm của đối tượng Node, thêm vào đó làcác đặc tính của Wireless như khả năng di chuyển tự do trong phạm vi củatopology, có khả năng truyền và nhận tín hiệu vô tuyến

Điểm khác nhau quan trọng giữa Node và MobileNode là MobileNodekhông dùng khái niệm Link (liên kết có dây) để liên kết với các Node hay các

MobileNode khác Thay vào đó, MobileNode sử dụng sóng vô tuyến để liên kếtvới các MobileNode khác.

Lớp Mobile được cài đặt trong cả C++ và OTcl: Các cài đặt phức tạp nhưviệc di chuyển của MobileNode, việc cập nhật lại vị trí, duy trì cầu trúc mạng, …được viết bằng C++ Trong khi đó, việc cấu hình các thành phần trongMobileNode như địa chỉ Mac, Channel, Antenna,… được cài đặt trong OTcl

Tạo mô hình mạng không dây trong NS-2: Một MobileNode bao gồm

các thành phần: Link Layer, Interface Queue,ARP, địa chỉ MAC, mô hình truyềncủa sóng vô tuyến, Card mạng, kênh truyền Ngoài ra, còn có các thành phầnkhác: kiểu Antenna, loại giao thức định tuyến

Do đó, để tạo một mô hình mạng không dây, ta cần cấu hình cho MobileNode:set val(chan) Channel/WirelessChannel

set val(prop) Propagation/TwoRayGround

set val(ant) Antenna/OmniAntenna

set val(ll) LL

set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue

set val(ifqlen) 50

set val(netif) Phy/WirelessPhy

set val(mac) Mac/802_11 ;#MAC type

for { set j 0 } { $j < $val(nn)} {incr j} {

set node_($j) [ $ns_ node ]

$node_($i) random-motion 0 ;# disable random

motion

}

Basic Wireless Model in NS2: Mô hình không dây chủ yếu bao gồm

MobileNode ở lõi, với các chức năng hỗ trợ thêm vào để cho phép mô phỏngmạng ad hoc đa chặng, LAN không dây…

Đối tượng MobileNode là đối tượng chia nhỏ Lớp MobileNode bắt nguồn

từ lớp Node Một MobileNode là một đối tượng Node cơ sở thêm vào các chứcnăng không dây và di động như khả năng di chuyển trong topo cho trước, khảnăng nhận và truyền tín hiệu đến và từ một kênh không dây Một điểm khác biệtchính giữa chúng là một MobileNode không được kết nối bởi các phương tiệnliên kết đến các nút khác hoặc các nút di động khác Chức năng di động bao gồmtính di động của nút, cập nhập định kì vị trí, duy trì ranh giới topo mạng… đượcthực thi trong C++ trong khi đó các thành phần mạng trong bản thân MobileNode(như classifiers, dmux , LL, MAC, Channel …) được thực thi trong Otcl

Chức năng của một nút khi nhận được gói tin là kiểm tra các trường của góitin, thông thường là trường địa chỉ đích của nó và đôi khi là địa chỉ nguồn Dựa vàogiá trị của trường trong gói tin và có thể gửi hoặc xử lý nó ngay tại nút đó.

Trong NS, điều này được thực hiện bởi đối tượng đơn giản classifier.Classifier cung cấp cách để xem gói tin dựa vào một số tiêu chuẩn logic và lấymột tham chiếu đến một đối tượng mô phỏng khác dựa trên các kết quả phù hợp

Có nhiều đối tượng classifier, mỗi phần tham chiếu vào phần cụ thể trong gói.Mỗi classifier bao gồm một bảng mô phỏng đối tượng, được đưa ra bởi một số.Công việc của classifier là xác định số này kết hợp với gói tin nhận được và gửigói đó đến đối tượng được tham chiếu bởi số đó

Một nút NS chủ yếu là một tập hợp của classifier Một nút đơn giản nhất(unicast) bao gồm chỉ một classifier địa chỉ và một classifier cổng Thành phầnđịnh tuyến là giao thức định tuyến thực thi trong thực tế mô phỏng trong NS2.Một gói tin vào nút, dựa vào địa chỉ, cổng và trường loại của gói tin, gói tin đó sẽđược gửi đi đến bộ định tuyến tương ứng Hình 5.8 thể hiện cấu trúc của một bảntin unicast

modun ARP kết nối đến LL, một giao diện hàng đợi (IFq), lớp MAC, giaodiện mạng (netIF), tất cả kết nối đến kênh truyền Các thành phần mạng đượctao ra cùng nhau trong Otcl

này thực thi giao thức như phân mảnh và tập hợp lại gói tin và giao thức kếtnối xác thực Lớp này cũng phải đặt địa chỉ MAC đích trong header MAC củagói tin Trong Trong MobileNode chức năng phân giải địa chỉ từ IP thànhMAC được cung cấp bởi modun ARP Thông thường đưa tất cả ra ngoài góitin (vào kênh), các gói tin được đưa xuống LL bởi thành phần định tuyến LLđưa gói tin xuống IFq Cho tất cả các gói tin vào gói tin (ra ngoài kênh), lớpMAC đưa gói lên LL mà sau đó dừng lại tại node_entry_ poin

Nếu ARP có địa chỉ MAC cho IP thì nó sẽ ghi vào header MAC của gói tin

Nếu không nó sẽ broadcast một yêu cầu ARP và lýu trữ gói tin tạm thời Cómột bộ đệm cho gói đõn mỗi khi không biết đụa chỉ phần cứng đắch Bộ đệmgói này sẽ bị huỷ nếu gói tin bổ xung gửi đến ARP của cùng một địa chỉ đắch.Mỗi địa chỉ phần cứng đýợc phân giải, địa chỉ sẽ đýợc viết vào trong headercủa gói tin và đýa vào trong Interface Queue

định tuyến (qua các gói dữ liệu) và chèn các định tuyến các gói tin ở phần đầucủa hàng đợi Nó cũng hỗ trợ các hoạt động trên tất cả các bộ lọc các gói tintrong hàng đợi và loại bỏ những người có chỉ định một địa chỉ đắch Việc giaohàng được thực hiện bởi các lớp học PriQueue trong NS2 Trong dự án nàycác VBR định tuyến các gói tin được đặt vào ưu tiên cao hơn như các giaothức định tuyến các gói tin

dụng trong môi trường chia sẻ kênh truyền như mạng không dây và mạngLAN Đói tượng MAC là hai chiều, khi gửi một gói tin, lớp MAC sẽ thêmheader MAC vào gói tin và gửi nó xuống lớp physical và sau quá trình xử lýgói tin, nó sẽ được truyền qua lớp link Trong NS2 hai giao thức sử dụng cholớp MAC cho mạng di động là 802.11 và TDMA

phần cứng mà được sử dụng mởi MobileNode để truy nhập vào kênh Giaođiện chia sẻ môi trường không dây được thực thi như lớp Phy/WirelessPhy.Giao diện này phụ thuộc vào sự xung đột và mô hình truyền lan điện từ nhậncác gói tin được truyền bởi các giao diện nút khác đến kênh truyền

trong NS2 đều bao gồm 3 khối chức năng: tác nhân định tuyến, logic địnhtuyến (sử dụng thông tin thu thập được từ tác nhân định tuyến hoặc từdatabase topo toàn cầu trong trường hợp định tuyến thực hiện trên tắnh toánthực tế) và Classifiers nằm trong một nút (chúng sử dụng bảng tắnh toán địnhtuyến để thực hiện gửi gói tin) Khi thực thi một giao thức định tuyến mới,

định tuyến trạng thái đường truyền, đơn giản là thực thi tác nhân định tuyến

mà trao đổi thông tin trong loại trạng thái đường truyền, và logic định tuyến

mà thực thi thuật toán Dijkstra trên database kết quả topo Nó có thể sử dụngcác classifiers tương tự nhau như các giao thức định tuyến unicast khác

1.4.4.3 Tạo kịch bản chuyển động cho các Node

Các MobileNode được thiết kế để chuyển động ba chiều ( X,Y,Z ) Tuynhiên, trong công cụ giả lập này, thì chiều Z không được sử dụng ( Z=0 ), nêncác MobileNode chỉ chuyển động theo hai chiều X, Y

Trong NS-2, có hai phương pháp để tạo sự chuyển động cho các MobileNode:+ Khởi tạo vị trí ban đầu cho các MobileNode và khai báo địa chỉ đích mà cácMobileNode di chuyển tới một cách tường minh

+ Thiết lập cho các MobileNode di chuyển ngẫu nhiên

Ban đầu, ta khởi tạo vị trí bắt đầu cho node với tọa độ (x1,y1,0) Sau đó,

tại thời điểm “$time” giây, node sẽ bắt đầu di chuyển từ vị trí khởi tạo(x1,y1,0)

đến vị trí đích (tọa độ ( x2 , y2 ,0 ) ) với vận tốc speed

để phát hiện gói tin bị mất khi truyền, và truyền lại gói tin khi bị mất Nó chỉthích hợp cho những ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác cao, và chấp nhậnchịu sự mất mát dữ liệu.

Các cú pháp thông dụng dùng để thiết lập UDP agent trong NS-2:

+ Tạo một thể nghiệm của đối tượng UDP agent:

set udp0 [new Agent/UDP]

+ Kết nối agent UDP cho node:

$ns_ attach-agent <node> <agent>

+ Cài đặt ứng dụng cho agent:

$traffic-gen attach-agent <agent>

Để cài đặt ứng dụng CBR cho agent udp1, ta có cú pháp:

Set cbr1 [new Application/Traffic/CBR]

$cbr1 attach-agent $udp1

+ Tạo một kết nối giữa hai agent:

$ns_ connect <src-agent> <dst-agent>

Các thông số thiết lập chi tiết cho agent UDP:

$udp set packetSize_ <pktsize>

$udp set dst_addr_ <address>

$udp set dst_port_ <portnum>

$udp set class_ <class-type>

$udp set ttl_ <time-to-live>

Tạo một ứng dụng CBR, với các agent UDP:

set ns [new Simulator]

$udp0 set packetSize_ 536 ;# set MSS to 536 bytes

set null0 [new Agent/Null]

+ Agent hai chiều

Agent một chiều là những agent chỉ đóng một trong hai vai trò hoặc là bêngởi hoặc là bên nhận Trong khi đó, agent hai chiều là agent đóng cả hai vai tròvừa là bên nhận, vừa là bên gởi Hiện nay, agent này vẫn đang được phát triển.Các agent một chiều ở bên gởi (one-way TCP sending agents ) đã cài đặt trongNS: