Các phương pháp định tuyến trong mạng AD HOC

Tuy nhiên, mang Ad hoc phải đối mặt với một số thách thức như giới hạn phạm vi truyền dẫn, vấn đề trạm ẩn, mất gói do lỗi đường truyền, sự chuyển động của các nút mạng làm thay đổi định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

MAI VĂN LINH

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ADHOC

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS NGUYỄN QUỐC TRUNG

Hà Nội – 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1  

LỜI NÓI ĐẦU 5  

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7  

ABSTRACT 8  

DANH SÁCH HÌNH VẼ 9  

DANH SÁCH BẢNG BIỂU 10  

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN 11  

1.1   KHÁI NIỆM VỀ MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN 11  

1.2   CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG AD HOC 13  

1.2.1   Tính không đồng nhất của các thiết bị 13  

1.2.2   Các đặc trưng lưu lượng trong Ad hoc 13  

1.2.3   Các kiểu truyền thông trong Ad hoc 14  

1.2.4   Sự di chuyển máy chủ 14  

1.2.5   Các hình thức chuyển động của các nút trong một tuyến 14  

1.2.6   Sự chuyển động của các nút cầu nối 15  

1.2.7   Sự di chuyển đồng thời các nút mạng 16  

1.3   ỨNG DỤNG TRONG MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN 17  

1.3.1   Dịch vụ khẩn cấp 17  

1.3.2   Hội nghị 17  

1.3.3   Home Networking 18  

1.3.4   Mạng cá nhân (PAN) 18  

1.3.5   Hệ thống nhúng (embeded system) 19  

1.3.5.1   Mạng xe cộ (vehicular network) 19  

1.3.6   Mạng cảm biến(sensor network) 20  

1.4   NHỮNG THÁCH THỨC ĐỐI VỚI MẠNG AD HOC 20  

1.4.1   Hiệu quả sử dụng nguồn nuôi 20  

1.4.2   Trạm ẩn/ hiện đầu cuối 21  

1.4.3   Cơ chế truy nhập 22  

1.4.4   Định tuyến và chuyển tiếp gói tin trong Ad hoc 22  

1.4.5   Chất lượng dịch vụ (QoS) 23  

1.4.6   Tính an toàn và bảo mật 23  

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD HOC 24  

2.1   GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỔ ĐIỂN 24  

2.1.1   Định tuyến dựa trên trạng thái liên kết 24  

2.1.2   Định tuyến dựa trên vector khoảng cách 25  

2.2   GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD HOC 25  

2.2.1   Các yêu cầu chung 25  

2.2.2   Phân loại 27  

2.2.2.1   Định tuyến tiên phong, tương tác và lai 28  

2.2.2.2   Cấu trúc và phân bổ tiến trình định tuyến 29  

2.2.2.3   Khai thác các metric mạng cho định tuyến 30  

2.3   GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN OLSR 31  

2.3.1   Tổng quan giao thức 31  

2.3.2   Multipoint relay 32  

2.3.3   Sự hoạt động của giao thức 35  

2.3.4   Sự hoạt động của lõi 35  

2.3.4.1   Định dạng và gửi gói tin 35  

2.3.4.2   Nhận thức với liên kết 37  

2.3.4.3   Phát hiện hàng xóm 38  

2.3.4.4   Sự chọn lọc MPR và tín hiệu hóa MPR 38  

2.3.4.5   Sự truyền bá bản tin điều khiển topo 38  

2.3.4.6   Tính toán tuyến 38  

2.3.5   Ưu điểm và nhược điểm của giao thức định tuyến OLSR 38  

2.4   GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DSR 39  

2.4.1   Định tuyến nguồn 39  

2.4.2   Khám phá tuyến 40  

2.4.3   Duy trì tuyến 43  

2.4.4   Các chức năng mở rộng của Khám phá tuyến 44  

2.4.4.1   Cất giữ thông tin định tuyến nghe lỏm được 44  

2.4.4.2   Trả lời Yêu cầu tuyến sử dụng Bộ nhớ tuyến 45  

2.4.4.3   Giới hạn số chặng Yêu cầu tuyến 45  

2.4.5   Các chức năng mở rộng của Duy trì tuyến 46  

2.4.5.1   Tận dụng lại tuyến 46  

2.4.5.2   Các gói tin xếp hàng được định sẵn trên một liên kết hỏng 46  

2.4.5.3   Tự động thu ngắn tuyến 47  

2.4.5.4   Tăng quá trình truyền lan các bản tin Lỗi tuyến 48  

2.4.6   Sự mở rộng trạng thái luồng tùy chọn 48  

2.4.7   Định dạng DSR Options header 49  

2.4.7.1   Route Request Option 49  

2.4.7.2   Route Reply Option 51  

2.4.7.3   Route Error Option 52  

2.4.7.4   Acknowledgement Request Option 52  

2.4.7.5   Acknowledgement Option 53  

2.4.8   Ưu điểm và nhược điểm của giao thức định tuyến DSR 53  

2.5   GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV 54  

2.5.1   Khám phá tuyến 55  

2.5.2   Thiết lập tuyến đường ngược 56  

2.5.3   Thiết lập tuyến đường thuận 57  

2.5.4   Quản lý bảng định tuyến 58  

2.5.5   Duy trì tuyến 60  

2.5.6   Quản lý kết nối cục bộ 61  

2.5.7   Định dạng bản tin 61  

2.5.7.1   Định dạng bản tin RREQ 62  

2.5.7.2   Định dạng bản tin RREP 63  

2.5.7.3   Định dạng bản tin RERR 64  

2.5.8   Định dạng bản tin RREP-ACK 64  

2.5.9   Ưu điểm và nhược điểm của giao thức định tuyến AODV 65  

2.6   GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DYMO 65  

CHƯƠNG 3 THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG TRONG MÔ PHỎNG MẠNG AD HOC 68  

3.1   THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC MẠNG AD HOC 68  

3.1.1   Thông số đánh giá chất lượng 68  

3.1.1.1   Tỷ lệ gói nhận được 68  

3.1.1.2   Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối 68  

3.1.1.3   Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối 69  

3.1.1.4   Phần tải thông tin định tuyến 69  

3.1.2   Thông số kịch bản 69  

3.1.2.1   Thông số di chuyển 70  

3.1.2.2   Thời gian tạm dừng 71  

3.2   MÔ HÌNH DI CHUYỂN MÔ PHỎNG MẠNG AD HOC 71  

3.2.1   Mô hình di chuyển ngẫu nhiên 71  

3.2.2   Mô hình di chuyển hướng ngẫu nhiên với vận tốc không đổi 71  

3.2.3   Mô hình di chuyển Random Waypoint 72  

3.2.4   Mô hình di chuyển hướng ngẫu nhiên 72  

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ TỶ LỆ NHẬN GÓI CHO CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG AD HOC DÙNG OMNET ++ 74  

4.1   GIỚI THIỆU CHUNG VỀ OMNET++ 74  

4.1.1   Ứng dụng 75  

4.1.2   Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ 75  

4.2   KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78  

4.2.1   Khởi tạo mô phỏng 78  

4.2.2   Một số hình ảnh mô phỏng 78  

4.2.3   Đánh giá tỉ lệ nhận gói theo thời gian dừng 83  

4.2.4   Đánh giá tỉ lệ gói nhận theo tốc độ phát gói 84  

4.2.5   Đánh giá và kết luận 88  

KẾT LUẬN 89  

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91  

BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 93  

PHỤ LỤC 95  

LỜI NÓI ĐẦU

Ưu điểm của mạng máy tính đã được thể hiện khá rõ trong mọi lĩnh vực của cuộc sống Đó chính là sự trao đổi, chia sẻ, lưu trữ và bảo vệ thông tin Bên cạnh nền tảng mạng máy tính hữu tuyến, mạng máy tính không dây ngay từ khi ra đời đã thể hiện nhiều ưu điểm nổi bật về độ linh hoạt, tính giản đơn, khả năng tiện dụng

Ad hoc là một phần trong công nghệ thông tin hiện nay, trong đó người sử dụng trao đổi thông tin với nhau không cần hạ tầng cơ sở mạng cố định và hay chịu sự quản lý tập trung Mỗi nút mạng bao gồm cả chức năng máy trạm và router, chúng sẵn sàng chuyển tiếp các gói tin trong mạng Do cấu trúc topo mạng động, thường xuyên phải đáp ứng, thích nghi với những yêu cầu mới nên định tuyến trong mạng

Ad hoc là một vấn đề rất quan trọng Giao thức định tuyến phải giảm lưu lượng điều khiển, đơn giản tính toán đường định tuyến Chính vì thế giao thức định tuyến đóng vai trò quan trọng trong vận hành mạng Ad hoc

Luận văn là tổng quan về bốn giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc: DSR, DYMO, AODV, OLSR; đánh giá các giao thức đó dựa trên công mô phỏng OMNET++ Do thời gian cũng như trình độ còn hạn chế, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp

Để có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, em đã được học hỏinhững kiến thức quý báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong suốt năm năm đại học Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới thầy Nguyễn Quốc Trung – Bộ môn

Kỹ thuật thông tin – Khoa Điện tử viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người đã định hướng cho những nghiên cứu của em, người trực tiếp hướng dẫn

và chỉ bảo em hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu đồ án Ngoài ra, kiến thức thu được từ các thầy cô cũng là nguồn cổ vũ tinh thần lớn nhất giúp em có thể tập trung và hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp này

Hà Nội, tháng 4 - 2012 Học viên

Mai Văn Linh

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Mạng Ad hoc là một công nghệ hữu dụng trong mạng không dây Công nghệ này cho phép các nút mang giao tiếp trực tiếp với nhau bằng cách sử dụng máy thu phát vô tuyến mà không cần có cơ sở hạ tầng cố định Đây là một đặc trưng riêng của mạng Ad hoc so với các mạng truyền thống trước đây như mạng cellular hay mạng không dây LAN khi ở đó các nút giao tiếp với nhau thông qua BS Tuy nhiên, mang Ad hoc phải đối mặt với một số thách thức như giới hạn phạm vi truyền dẫn, vấn đề trạm ẩn, mất gói do lỗi đường truyền, sự chuyển động của các nút mạng làm thay đổi định tuyến, sự rằng buộc về băng thông và năng lượng Giao thức định tuyến được sử dụng để Khám phá tuyến giữa các nút giúp cho việc giao tiếp trong mạng dễ dàng hơn Mục đích chính của môt giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc là thiết lập tuyến đường chính xác và hiệu quả giữa các cặp nút Luận văn đưa

ra tổng quan về bốn giao thức định tuyến: DYMO, DSR, AODV, OLSR, sử dụng công cụ mô phỏng OMNET++ và đánh giá các giao thức này dựa trên các thông số đặt ra

Luận văn gồm 5 chương

• Chương 1: Tổng quan về mạng Ad hoc vô tuyến

• Chương 2: Định tuyến cho mạng Ad hoc

• Chương 3: Thông số đánh giá và mô hình chuyển động trong mô phỏng mạng Ad hoc 

• Chương 4: Đánh giá tỷ lệ nhận gói cho các giao thứ định tuyến mạng Adhoc dùng Omnet ++

• Chương 5: Kết luận

ABSTRACT

Ad hoc networks are the ultimate frontier in wireless communication This

technology allows network nodes to communicate directly to each other using wireless transceivers without the need for a fixed infrastructure This is a very distinguishing feature of ad hoc networks with respect to more traditional wireless networks, such as cellular networks and wireless LAN, in which nodes communicate with each other through BS Some challenges that ad hoc networking faces are limited wireless transmission range, hidden terminal problems, packet losses due to transmission errors, mobility- induced route changes, bandwidth and battery constraints. In order to facilitate communication within the network, a routing protocol is used to discover routes between nodes The primary goal of such

an Ad hoc network routing protocol is correct and efficient route establishment between a pair of nodes so that message may be delivered in a timely manner This thesis provides an overview of four different routing protocols: DYMO, DSR, AODV, OLSR, uses OMNET++ simulator and evaluates these protocols based on a given set of parameters

The thesis has a total of 5 chapters:

• Chapter 1: Overview of Ad hoc network

• Chapter 2: Routing in Ad hoc network

• Chapter 3: Protocol Evaluation parameters and Mobility models for Ad hoc network simulation

• Chapter 4: Simulating in OMNET++

• Chapter 5: Summary

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình Ad hoc gồm 4 nút mạng 11

Hình 1.2 Các mô hình lưu lượng đối với môi trường không dây tùy biến 14

Hình 1.3 Sự chia tách và hợp nhất các mạng con di động tùy biến 16

Hình 1.4 Ứng dụng cho các dịch vụ khẩn cấp khi có thiên tai 17

Hình 1.5 Ứng dụng trong các hội nghị 18

Hình 1.6 Ứng dụng cho home networking 18

Hình 1.7 Ứng dụng cho mạng cá nhân 19

Hình 1.8 Ứng dụng cho mạng xe cộ 20

Hình 1.9 Thách thức vấn đề trạm ẩn/hiện 22

Hình 2.1 Hệ tọa độ cơ bản mô tả trường mạng Ad Hoc 26

Hình 2.2 Bảng phân loại các giao thức định tuyến trong AD HOC 28

Hình 2.3 Quá trình phát tràn lan bản tin quảng bá 33

Hình 2.4 Giao thức định tuyến OLSR 34

Hình 2.5 Định dạng gói tin OLSR 37

Hình 2.6 Quá trình khám phá tuyến 41

Hình 2.7 Quá trình duy trì tuyến 43

Hình 2.8 Cất giữ thông tin định tuyến nghe lỏm được 45

Hình 2.9 Quá trình thu ngắn tuyến 47

Hình 2.10 Định dạng DSR Options header 49

Hình 2.11 Định dạng Route Request Option của DSR 50

Hình 2.12 Định dạng Reply Option của DSR 51

Hình 2.13 Định dạng Route Error Option của DSR 52

Hình 2.14 Định dạng ACK Request Option của DSR 52

Hình 2.15 Định dạng ACK Options của DSR 53

Hình 2.16 Hình thành tuyến đường đi ngược 57

Hình 2.17 Hình thành tuyến đường đi thuận 58

Hình 2.18 Định dạng bản tin RREQ của AODV 62

Hình 2.19 Định dạng RREP của AODV 63

Hình 2.20 Định dạng RERR của AODV 64

Hình 2.21 Định dạng RREP-ACK của AODV 65

Hình 2.22 Khác nhau cơ bản giữa AODV và DYMO 66

Hình 3.1 Mô hình di chuyển Random Waypoint 72

Hình 3.2 Mô hình di chuyển hướng ngẫu nhiên 73

Hình 4.1 Lược đồ xây dựng và chạy một chương trình mô phỏng OMNeT++ 76

Hình 4.2 Quá trình gửi bản tin RREQ của DYMO 79

Hình 4.3 Quá trình gửi bản tin RREP của DYMO 80

Hình 4.4 Quá trình gửi gói tin dữ liệu của DYMO 81

Hình 4.5 Quá trình gửi ACK báo nhận của DYMO 82

Hình 4.6 Đánh giá tỷ lệ gói nhận được theo thời gian dừng 84

Hình 4.7 Đánh giá tỉ lệ gói nhận của DSR theo tốc độ phát gói 86

Hình 4.8 Đánh giá tỷ lệ gói nhận của AODV theo tốc độ phát gói 86

Hình 4.9 Đánh giá tỷ lệ gói nhận của OLSR theo tốc độ phát gói 87

Hình 4.10 Đánh giá tỉ lệ gói nhận của DYMO theo tốc độ phát gói 87

DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Bảng các biến trong thông số di chuyển 70

Bảng 4.1 Bảng giá trị thông số đánh giá theo thời gian dừng 83

Bảng 4.2 Bảng giá trị các thông số đánh giá theo tốc độ phát gói 85

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN

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

1.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN

Mạng Ad hoc là tập hợp các node di động hoặc bán di động và không có cơ sở

hạ tầng trước, chỉ là mạng tạm thời Mỗi node mạng có 1 giao diện vô tuyến và giao tiếp với các node mạng khác thông qua sóng vô tuyến hoặc tia hồng ngoại Máy tính xách tay và PDA là ví dụ về node mạng trong mạng Ad hoc Node mạng trong mạng Ad hoc thông thường sẽ chuyển động nhưng cũng có những node đứng yên (ví dụ như điểm truy nhập internet - AP) Node mạng bán tự động được sử dụng như node chuyển tiếp tạm thời trong mạng

Hình 1.1 Mô hình Ad hoc gồm 4 nút mạng

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

Các node trong mạng Ad hoc có khả năng hoạt động như các bộ định tuyến theo yêu cầu Để ngăn các gói không đi theo các tuyến vô tận, yêu cầu là các tuyến được chọn không bị lặp Tuy nhiên, khi topo mạng thay đổi thường xuyên, việc tìm

ra một tuyến chính thống giữa một cặp nguồn – đích có thể không có

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 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 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

Một đăc điểm khác của các nút mạng trong Ad hoc 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 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 hai 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 Phương pháp định tuyến nhiều bước trong môi trường vô tuyến có thể cho kết quả về khả năng truyền dẫn và công suất do mối quan hệ bình phương giữa năng lượng phát ra theo yêu cầu và tổng năng lương Hay nói cách khác, sử dụng phương pháp định tuyến nhiều bước thì các nút mạng có thể tiết kiệm được năng lượng phát ra

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 Với việc khám phá công nghệ mạng Ad hoc, những thiết bị cầm tay

đủ chủng loại (điện thoại di động, máy tính xách tay, máy nhắn tin) và các thiết bị

cố định (trạm vô tuyến cơ sở, các điểm truy cập Internet không dây) có thể được kết nối với nhau, tạo thành mạng toàn cầu, khắp mọi nơi

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MẠNG AD HOC

1.2.1 Tính không đồng nhất của các thiết bị

Các thiết bị trong Ad hoc có thể tồn tại ở nhiều dạng với chỉ tiêu kỹ thuật khác nhau đáng kể Tính không đồng nhất này có thể ảnh hưởng đến chất lượng truyền thông và việc thiết kế các giao thức truyền thông Mỗi một thiết bị trong mạng có thể hoạt động như là một máy chủ hoặc một nhà cung cấp dịch vụ tùy thuộc khả năng tính toán, bộ nhớ, lưu trữ và nguồn nuôi Mặc dù có sự khác nhau, các thiết bị này vẫn có thể nối mạng không dây với nhau

1.2.2 Các đặc trưng lưu lượng trong Ad hoc

Truyền thông tùy biến xảy ra theo nhiều dạng khác nhau (hình 1.2): đối với một cặp nút, việc truyền thông sẽ xảy ra giữa chúng qua 1 khoảng thời gian đến khi kết thúc phiên giao tiếp hay một trong các nút đã dịch chuyển đi xa Điều này tương

tự với trường hợp truyền thông ngang cấp (peer to peer) Một dạng khác, khi 2 hay nhiều thiết bị đang giao tiếp với nhau và đang di chuyển về thành từng nhóm, thì

mô hình lưu lượng biểu thị quá trình truyền thông xảy ra qua một khoảng thời gian quá dài Đặc trưng này tương tự như trường hợp giao tiếp từ xa (remote-to remote) Cuối cùng là trường hợp khi mà các thiết bị giao tiếp theo cách không tương quan

và do đó phiên giao tiếp giữa chúng ngắn, đột ngột và không xác định Đặc trưng lưu lượng của các trường hợp trên được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Các mô hình lưu lượng đối với môi trường không dây tùy biến

1.2.3 Các kiểu truyền thông trong Ad hoc

Các máy chủ di động trong Ad hoc có thể giao tiếp qua các đồng cấp trung gian của chúng (tức là các máy chủ ngang hàng) và cả giao tiếp chặng vô tuyến đơn

từ xa.Tuy nhiên, nếu có hơn 3 nút trong dải vô tuyến thì xảy ra truyền thông nút di động ở xa Đặc biệt, truyền thông từ xa đi kèm với sự di chuyển về thành từng nhóm Các loại truyền thông tùy biến khác nhau cũng tạo ra các đặc trưng lưu lượng khác nhau

1.2.4 Sự di chuyển máy chủ

Trong Ad hoc, các máy chủ có thể di chuyển linh hoạt Tuy nhiên,sự di chuyển máy chủ có thể ảnh hưởng đến tính xác thực của tuyến thông tin

1.2.5 Các hình thức chuyển động của các nút trong một tuyến

Một tuyến đường trong Ad hoc bao gồm 1 nút nguồn (gọi là nút SRC), 1 nút đích (gọi là nút DEST), và 1 hay nhiều nút trung gian (gọi là nút IN) Sự di chuyển của bất cứ một trong số các nút này sẽ làm thay đổi tuyến truyền thông Một nút SRC có tuyến luồng xuống (downstream) nếu chuyển động ra khỏi dải phủ sóng vô tuyến của nút lân cận nó thì tuyến hiện tại ngay lập tức sẽ không còn đúng nữa Do

đó, tất cả các nút luồng xuống được thông báo để chúng có thể xóa các thực thể tuyến không đúng Tương tự như vậy khi một nút DEST di chuyển ra ngoài vùng phủ sóng của nút lân cận luồng lên (upstream) của nó thì tuyến hiện hành sẽ không

còn đúng nữa Trong trường hợp này, các nút luồng lên phải được thông báo để chúng xóa bỏ các thực thể tuyến không đúng Cuối cùng, bất cứ sự chuyển động nào của nút trung gian IN đang hỗ trợ một tuyến hiện hành cũng có thể làm cho tuyến

đó trở nên không còn đúng nữa

Tất cả các chuyển động này có thể làm cho các giao thức định tuyến phân bố truyền thông phải đáp ứng một cách thích nghi với những thay đổi Điều này sẽ dẫn đến việc cập nhật tất cả các nút còn lại trong mạng để thông tin định tuyến tức thời

có thể được duy trì Tuy nhiên, quá trình cập nhật bao gồm việc phát gói tin quảng

bá qua các phương tiện thông tin không dây sẽ làm lãng phí băng thông và tăng lưu lượng điều khiển mạng tổng thể Do vậy, cần có các giao thức định tuyến mới để giải quyết vấn đề này

1.2.6 Sự chuyển động của các nút cầu nối

Ngoài những hình thức chuyển động đã nói ở trên, mọi sự chuyển động của nút đang thực hiện chức năng cầu nối giữa hai mạng con cũng có thể chia các mạng con đó thành các mạng con nhỏ hơn Tính chất của một mạng con di động cho thấy rằng nếu cả nút SRC và DEST đều là phần tử của mạng con thì sẽ tồn tại một hay nhiều tuyến trừ phi mạng con bị chia phần bởi một số nút di động cầu nối Trái lại, các chuyển động của các nút cụ thể cũng có thể ảnh hưởng đến sự hợp nhất mạng con, tạo thành các mạng con lớn hơn Điều này được mô tả trong hình 1.3

Hình 1.3 Sự chia tách và hợp nhất các mạng con di động tùy biến

Khi hợp nhất các mạng con di động để hình thành các mạng con lớn hơn thì thuật toán định tuyến có thể chấp nhận mạng con mới bằng cách cập nhật tất cả các bảng định tuyến của các nút Tuy nhiên, phương thức này thường kém hiệu quả.Một thuật toán định tuyến hiệu quả sẽ bỏ qua quá trình này mà chỉ cập nhật thông tin trong bảng liên kết của các nút bị ảnh hưởng Trong trường hợp phân chia mạng thành các mạng con nhỏ hơn cũng cần có cách điều khiển tối ưu tương tự

Từ khía cạnh ứng dụng, các mạng con di động có thể được sử dụng để hỗ trợ việc tính toán sự phối hợp di chuyển Các đối tác phối hợp có thể tăng kích cỡ lên 2 lần khi 2 nhóm phối hợp nhất lại và hoặc khi các máy di động mới gia nhập vào dải

vô tuyến

1.2.7 Sự di chuyển đồng thời các nút mạng

Trong thực tế, tồn tại sự chuyển động đồng thời của các nút SRC, DEST hay

IN Do đó, cần có sự đảm bảo tính ổn định khi tái cấu trúc nhiều tuyến hoặc cần đến quá trình sửa chữa tuyến Các quá trình như vậy cuối cùng cũng sẽ hội tụ khi thực hiện xong việc tái cấu trúc tuyến thích hợp nhất

1.3 ỨNG DỤNG TRONG MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN

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, hoặc trong lớp học khi mà sinh viên cần 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 Ad hoc, khi đó máy tính có thể truy nhập Internet,tài nguyên trên mạng như máy in, máy scan

Hình 1.4 Ứng dụng cho các dịch vụ khẩn cấp khi có thiên tai

1.3.2 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 homenetwork 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

Hình 1.5 Ứng dụng trong các hội nghị

1.3.3 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 phép 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

Hình 1.6 Ứng dụng cho home networking

1.3.4 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 ta 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

Hình 1.7 Ứng dụng cho mạng cá nhân

1.3.5 Hệ thống nhúng (embeded system)

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

1.3.5.1 Mạng xe cộ (vehicular network)

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 lẫn nhau giống như một nút trong 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

Hình 1.8 Ứng dụng cho mạng xe cộ

1.3.6 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 kỹ thuật số trong quân sự, công an, tình báo, khảo cổ học, nghiên cứu địa lý Các bộ cảm biến này 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 tiêu 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 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 Ngoài ra,các bộ cảm biến cũng được sử dụng rộng rãi trong thông tin thời tiết và môi trường

1.4 NHỮNG THÁCH THỨC ĐỐI VỚI MẠNG AD HOC

1.4.1 Hiệu quả sử dụng nguồn nuôi

Hầu hết các giao thức trong mạng hiện nay không quan tâm đến tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi vì các máy chủ và các bộ tính tuyến thường được giả định là tĩnh

và được cấp nguồn từ nguồn điện chính Tuy nhiên, các thiết bị dị động hầu hết được cấp nguồn từ nguồn nuôi độc lập.Kỹ thuật nguồn nuôi vẫn thường đi chậm hơn so với kỹ thuật vi xử lý Thời gian cấp nguồn của pin loại tốt như Li-ion

Hiện nay cũng chỉ tối đa từ 2 đến 3 giờ Sự giới hạn thời gian hoạt động như thế nói lên tính cần thiết phải bảo tồn tốt nguồn nuôi Đặc biệt,đối với MANET, do các thiết bị di động phải thực hiện vai trò của cả hệ thống đầu cuối (tương tác người dùng khi thực hiện các ứng dụng người dùng) lẫn vai trò của một hệ thống trung gian (chuyển tiếp gói tin đi) nên sẽ tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi một cách đáng

kể, đặc biệt là các nút trung gian

1.4.2 Trạm ẩn/ hiện đầu cuối

Thông tin khái quát về trạm ẩn/hiện đã được trình bày ở mục 1.3.1 Vấn đề trạm ẩn/hiện ảnh hưởng tới phạm vi truyền Bằng cách tăng phạm vi truyền, vấn đề đầu cuối ẩn sẽ giảm đi Mặt khác, vấn đề đầu cuối hiện trở nên nghiêm trọng khi phạm vi truyền xác định vùng bị ảnh hưởng bởi một truyền dẫn đơn

Thực tế, công suất cần thiết để ngắt các gói tin nhận thấp hơn nhiều so với các gói phát thành công, nói cách khác giới hạn truyền của một node thấp hơn nhiều so với phạm vi node cảm ứng Các vấn đề trạm ẩn là do việc trễ truyền giữa hai trạm khác nhau của hai giới hạn truyền Trong hình 1.7 là một ví dụ điển hình Các trạm

A và C đều nằm trong phạm vi truyền của B Giả thiết rằng B đang truyền tới A và

C đang có một gói được truyền tới D Như vậy, C nhận kênh bận vì B đang truyền

Vì vậy C không truyền tới D dù nó không ảnh hưởng đến A Trạm ẩn làm giảm số kênh sử dụng

Hình 1.9 Thách thức vấn đề trạm ẩn/hiện

1.4.3 Cơ chế truy nhập

Không giống như mạng tế bào, trong Ad hoc sẽ không có sự điều khiển tập trung và đồng bộ toàn cục Do đó các phương pháp đa truy nhập truyền thông như TDMA và FDMA không còn thích hợp nữa.Ngoài ra,nhiều giao thức điều khiển truy nhập phương tiện MAC (Media Access Control) cũng không giải quyết được

sự di động của máy chủ.Do vậy,các kỹ thuật lập lịch trình và định thời để hỗ trợ QoS gặp nhiều khó khăn

Trong Ad hoc, do cùng một phương tiện truyền thông được chia sẻ bởi nhiều bên tham gia nên thủ tục truy nhập đến kênh chung phải được thực hiện theo kiểu phân bố nhờ sự hỗ trợ của giao thức MAC Giao thức MAC phải tính đến truy nhập kênh trong khi đồng thời phải tránh được sự xung đột với các nút lân cận Do vậy, khi tính toán thiết kế các giao thức MAC cho Ad hoc phải tính đến khả năng di chuyển,vấn đề đầu cuối ẩn và các vấn đề liên quan khác

1.4.4 Định tuyến và chuyển tiếp gói tin trong 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 và thuật toán định tuyến đã được đề xuất cho mạng Ad hoc, tuy

nhiên mỗi giao thức lại có một hạn chế riêng Do vậy, nghiên cứu về các giao thức định tuyến trong Ad hoc là một vấn đề rất quan trọng

1.4.5 Chất lượng dịch vụ (QoS)

Khả năng cung cấp QoS của một mạng phụ thuộc vào các đặc tính bên trong của toàn bộ các thành phần mạng, từ các liên kết truyền phát đến tầng MAC và tầng mạng Các kết nối không dây có năng lực thấp và hay thay đổi, tỉ lệ lỗi cao Các topo mạng là động và có tỷ lệ mất gói cao Các giao thức MAC dựa trên truy nhập ngẫu nhiên không hỗ trợ QoS

Các giao thức MAC QoS giải quyết vấn đề về xung đột phương tiện,hỗ trợ truyền thông unicast tin cậy, và cung cấp việc dự trữ tài nguyên cho các lưu lượng thời gian thực trong môi trường không dây phân tán Rất nhiều các giao thức MAC

và các cải tiến đã được đề xuất để cung cấp việc đảm bảo QoS cho lưu lượng thời gian thực trong môi trường không dây phân tán bao gồm giao thức GAMA/PR và

cơ chế xung đột BB

1.4.6 Tính an toàn và bảo mật

Mạng tùy biến có thể được xem xet như mạng Intranet trừ phi chúng có khả năng kết nối đến Internet Sự truyền thông có ranh giới như vậy đã cách ly những kẻ tấn công từ bên ngoài Điều này không xảy ra đối với mạng hữu tuyến và mạng không dây chặng cuối Thông qua việc nhận thực người dùng lân cận, một người dùng có thể biết là người dùng lân cận đó có phải là “bạn” hay “địch” Thông tin được gửi trong một tùy biến có thể được bảo vệ do tính đến khả năng có mặt của nhiều nút, sự chuyển tiếp các gói đã được nhận thực bằng việc nhận ra nguồn gốc xuất xứ các gói và số ID nhận dạng luồng hay nhãn

TỔNG KẾT

Chương này đã trình bày những lý thuyết tổng quan mạng Ad hoc Trong mạng Ad hoc, topo mạng thường xuyên thay đổi Do vậy, các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc cần giải quyết sự di chuyển của nút, đồng thời giải quyết các rằng buộc về băng thông Phần giao thức định tuyến mạng Ad hoc sẽ được trình bày trong chương 2

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN CHO 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 4 loại giao thức trong mạng Ad hoc: giao thức định tuyến OLSR, giao thức định tuyến AODV, giao thức định tuyến DSR, giao thức định tuyến DYMO

2.1 GIAO THỨC 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, các giao thức này chỉ thích hợp cho cấu trúc mạng tĩnh, hoạt động hiệu quả ở mạng Ad hoc có 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 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 cảu 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 Chính 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 ích công 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

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 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 các 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

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

Phần này sẽ xác định 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 cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc vào nút mạng điều khiển tập trung (vì Ad hoc là mạng phân tán) Điều này có lẽ cũng có lợi cho mạng có cấu trúc tĩnh

• Đường định tuyến hở: Để nâng cao chất lượng hoạt động, giao thức định tuyến cần đảm bảo đường định tuyến cung cấp là đường mở, điều này sẽ làm giảm lãng phí băng thông và công suất tiêu hao của CPU

• 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

• Hỗ trợ các liên kết một chiều: Như đã trình bày ở trên, môi trường vô tuyến

có thể hình thành liên kết một chiều Sử dụng liên kết này và liên kết hai chiều sẽ làm tăng chất lượng 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,

nó được đề cập trong việc sử dụng giao thức bảo mật IPsec

• 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 thủ tục tìm đường

• Hỗ trợ QoS: có nhiều loại QoS: Có nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao thức định tuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng

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 thiết kế hiểu được những đặc trưng khác nhau và mấy 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

2.2.2.1 Định tuyến tiên phong, tương tác và 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 Sử dụng phương thức này, các giao thức định tuyến cho mạnh Ad hoc được phân chia như bảng 2

Hình 2.2 Bảng phân loại các giao thức định tuyến trong AD HOC

Định tuyến theo yêu cầu: Định tuyến theo yêu cầu, hay định tuyến khởi tạo ngay từ

nút nguồn; mỗi gói tin phải mang đầy đủ thông tin đường dẫn sẽ truyền trên mạng trước khi được gửi đi, vì vậy, quyết định chọn đường được thực hiện ở ngay nút nguồn Điều này tránh được đường định tuyến khép kín, nhưng lại làm tăng độ rộng của tiêu đề gói tin Giao thức này thích hợp với cho mạng có mức di chuyển cao Tuy nhiên, nhược điểm của định tuyến theo yêu cầu là độ trễ gói cao vì mất thời gian thiết lập đường

Định tuyến theo bảng: Một giao thức định tuyến proactive được gọi là định tuyến

theo bảng Sử dụng giao thức định tuyến theo bảng, các nút trong mang Ad hoc liên

tục đánh giá các tuyến tới mọi nút có thể tới và cố gắng duy trì các thông tin định tuyến phù hợp và mới nhất Vì vậy, các nút nguồn có thể có đường định tuyến ngay khi nó cần Trong các giao thức định tuyến theo bảng, tất cả các nút cần duy trì cái nhìn nhất quán về topo mạng Khi topo mạng thay đổi, những cập nhật cần thiết phải được quảng bá ra toàn mạng để thông báo có sự thay đổi Do vậy, nó sẽ gây lãng phí tài nguyên mạng Hầu hết, các giao thức định tuyến theo bảng được đề xuất cho Ad hoc có những đặc tính kế thừa từ các thuật toán dùng trong mạng có dây, nó chỉ phù hợp cho mạng có mức độ di chuyển thấp Để phù hợp với các chức năng động của mạng Ad hoc cần có những thay đổi cần thiết trong các giao thức định tuyến truyền thống trên mạng có dây

Các giao thức lai: Nhằm bổ sung cho các giao thức định tuyến proactive và

reactive,một lớp khác của định tuyến unicast được định nghĩa,đó là định tuyến lai Giao thức định tuyến trạng thái liên kết phân cấp dựa trên vùng (ZRP) là một ví dụ của giao thức định tuyến lai trong đó kết hợp cả hai phương pháp proactive và reactive, cố gắng khai thác ưu điểm của các phương pháp đó ZRP định nghĩa một vùng quanh mỗi nút trong đó có các hàng xóm có khoảng cách tới nút đó là một số các bước nhảy cho trước Thuật toán proactive và reactive được sử dụng bởi nút để định tuyến gói tin trong và ngoài vùng

2.2.2.2 Cấu trúc và phân bổ tiến trình định tuyến

Một phương thức phân loại khác là dựa trên vai trò có thể 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 Ví dụ về định tuyến đồng bộ bao gồm WRP, DSR, AODV và DSDV 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 khai thác 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 lý được 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 dựa trên 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 1 vùng biết đường đến các nút khác với chi phí nhỏ hơn so với việc duy trì thông tin định tuyến tới tất cả các nút trong toàn mạng Trong một số giao thức định tuyến theo vùng, các nút đặc biệt hoạt động như là gateway và đảm nhận truyền thông liên vùng ZRP và ZHLS là 2 giao thức định tuyến theo vùng cho mạng Ad hoc

Giao thức định tuyến theo nhóm sử dụng thuật toán vùng cho việc bầu chọn trưởng nhóm (cluster-head) Các nút di động được nhóm thành các nhóm, và 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 định tuyến, quảng bá gói tin dữ liệu Core-Extraction Distributed Ad Hoc Routing (CEDAR) là một ví dụ điển hình của loại định tuyến này

2.2.2.3 Khai thác các metric mạng cho định tuyến

Các metric sử dụng cho việc xây dựng tuyến đường có thể được sử dụng để phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc Gần như mọi giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc sử dụng “số chặng” làm metric Nếu có nhiều tuyến đường

có sẵn, tuyến nào có số chặng nhỏ nhất sẽ được lựa chọn Nếu tất cả các liên kết không dây có cùng khả năng lỗi thì đường định tuyến ngắn sẽ ổn định hơn đường định tuyến dài và có thể giảm tiêu đề lưu lượng, giảm xung đột gói tin Tuy nhiên, giả định có cùng đặc tính lỗi có thể không tồn tại trong mạng Ad hoc Theo đó, sự

ổn định liên kết phải được cân nhắc trong pha xây dựng tuyến đường Vi dụ, Associatively Based Routing (ARB) và Signal-Based Routing (SSR) được đề xuất

để sử dụng sự ổn định liên kết và độ mạnh tín hiệu như là 1 metric cho định tuyến Với sự phổ biến của điện toán di động, một số ứng dụng di động có thể có các yêu cầu QoS khác nhau Để đáp ứng các yêu cầu này, các metric QoS tương ứng nên được sử dụng cho định tuyến gói tin và chuyển tiếp trong mạng Ad hoc Như mạng có dây, các giao thức định tuyến QoS cho mạng Ad hoc có thể sử dụng metric, như là băng thông, trễ, trễ jitter, tỉ lệ lỗi gói tin và chi phí Ví dụ, băng thông

và độ ổn định liên kết được sử dụng trong CEDAR làm metric cho việc xây dựng tuyến đường

2.2.2.4 Ước lượng topo, đích, vị trí cho định tuyến

Trong một giao thức định tuyến theo topo cho mạng Ad hoc, các nút tập hợp thông tin topo mạng cho việc định tuyến Ngoài các giao thức định tuyến theo topo, một số giao thức định tuyến theo đích được đề xuất cho mạng Ad hoc Tron g giao thức này, một nút chỉ cần biết next-hop trên đường định tuyến khi chuyển tiếp gói tin tới đích Ví dụ, DSR là giao thức định tuyến theo topo và AODV, DSDV là giao thức định tuyến theo đích Việc sẵn có của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) hoặc các hệ thống định vị tương đương cho phép các nút di động truy nhập thông tin vị trí địa lý một cách dễ dàng Trong các giao thức định tuyến theo vị trí, mối quan hệ

về vị trí giữa các nút chuyển tiếp gói tin và nút đích, cùng với sự di chuyển của nút,

có thể được sử dụng trong cả quá trình khám phá tuyến và chuyển tiếp gói tin Location Aided Routing (LAR) và Distance Routing Effect Algorithm for Mobility

(DREAM) là các giao thức định tuyến theo vị trí cho mạng Ad hoc

Sau đây là một số giao thức định tuyến được đề xuất cho mạng Ad hoc

2.3 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN OLSR

2.3.1 Tổng quan giao thức

OLSR là giao thức định tuyến theo bảng, nó thừa hưởng sự ổn định của thuật toán liên kết trạng thái và có một số ưu điểm khi có thể thiết lập tuyến ngay lập tức OLSR là một sự tối ưu so với các giao thức liên kết trạng thái cổ điển, hoàn toàn

thích hợp cho mạng di động Ad hoc OLSR tối thiểu hóa overhead từ việc phát tràn lan lưu lượng điều khiển bằng cách chỉ sử dụng các nút được chọn là MPR, để truyền các bản tin điều khiển Kỹ thuật này giảm đáng kể số lượng yêu cầu truyền

để phát tràn lan một bản tin tới tất cả các nút trong mạng Hơn nữa, OLSR chỉ cần một phần của trạng thái liên kết được phát tràn lan để tạo ra tuyến đường ngắn nhất

Sự tối thiểu của tập hợp thông tin trạng thái liên kết được yêu cầu là tất cả các nút được lựa chọn là MPR phải khai báo các liên kết tới tất cả các selector MPR của chúng Các thông tin topo mạng thêm vào được sử dụng để làm tăng khả năng dự phòng

OLSR có thể tối ưu khi topo mạng thay đổi bằng cách giảm khoảng thời gian lớn nhất khi truyền bản tin điều khiển định kỳ Hơn nữa, OLSR duy trì các tuyến một cách liên tục tới tất cả các nút trong mạng, giao thức này phù hợp cho mẫu lưu lượng nơi mà một tập con lớn các nút giao tiếp với một tập con khác, nơi mà cặp nguồn-đích thay đổi theo thời gian

OLSR được thiết kế để làm việc trong một hoàn cảnh cụ thể và không phụ thuộc vào bất cứ một thực thể trung tâm nào OLSR không yêu cầu cơ chế truyền tin cậy của bản tin điều khiển: mỗi nút gửi bản tin điều khiển định kỳ và có thể bị mất một số bản tin Sự mất gói này diễn ra thường xuyên trong mạng vô tuyến do sự xung đột hoặc các vấn đề về đường truyền Ngoài ra, OLSR không yêu cầu bản tin phát đi phải sắp xếp theo thứ tự Mỗi bản tin điều khiển chứa một số thứ tự, và sẽ tăng cho mỗi bản tin Do đó, người nhận các bản tin điểu khiển có thể dễ dàng xác định thông tin nào là gần đây hơn, thậm chí nếu bản tin được yêu cầu lại trong khi truyền Thêm vào đó, OLSR hỗ trợ mở rộng giao thức như sleep mode hay định tuyến multicast OLSR không thay đổi định dạng của bất kỳ gói tin IP nào

2.3.2 Multipoint relay

Hình 2.3 Quá trình phát tràn lan bản tin quảng bá

MPRs là để tối thiểu hóa overhead khi phát tràn lan bản tin trong mạng bằng cách giảm số lần truyền lại trong cùng một vùng Mỗi nút trong mạng lựa chọn một tập hợp nút trong hàng xóm trực tiếp của nó Tập hợp của các nút hàng xóm được lựa chọn gọi là MPR của nút đó Hàng xóm của nút A mà không nằm trong tập hợp MPR của A có thể nhận và xử lý các bản tin quảng bá nhưng không thể truyền các bản tin quảng bá được nhận từ A

Mỗi nút lựa chọn tập hợp MPR từ những hàng xóm trực tiếp (one-hop) của nó Tập hợp MPR của nút A, kí hiệu là MPR(A), là tập con của tập hợp các hàng xóm trực tiếp của A, phải thỏa mãn những điều kiện sau: mỗi nút trong hàng xóm hai bước (two-hop) của A phải có một liên kết trực tiếp đến MPR(A) Tập hợp MPR càng nhỏ thì overhead lưu lượng điều khiển từ giao thức định tuyến càng nhỏ Mỗi nút phải duy trì thông tin về tập hợp hàng xóm mà chúng chọn làm một MPR Tập hợp này gọi là “MPR selector set” của một nút

Hình 2.4 Giao thức định tuyến OLSR

Trong OLSR, mỗi nút truyền bản tin Hello định kỳ ( ví dụ một giây một bản tin) trên mỗi giao diện của nút Mục đích chính của bản tin Hello cho phép mỗi nút

có thể khám phá tuyến trực tiếp tới hàng xóm của nó Bản tin Hello được quảng bá từng chặng một (hop-by-hop) và phải không được truyền trước đó Bản tin Hello bao gồm tên của nút khởi tạo, hàng xóm trực tiếp mà nút khởi tạo truyền bản tin khám phá, và các nút mà nút khởi tạo chọn làm MPRs Khi một nút nghe thấy bản tin Hello, nó kiểm tra liệu bản tin đó có phải được phát sinh từ hàng xóm mới hay không, và nếu đúng, nút sẽ cập nhật vào danh sách hàng xóm trực tiếp của nút Bản tin Hello rất quan trọng trong việc hỗ trợ khái niệm MPR Mỗi nút kiểm tra bản tin Hello nhận được từ hàng xóm của nó để xem nó liệu có được lựa chọn làm MPR của bất kỳ hàng xóm nào không Nếu vậy, nút sẽ phát tràn lan các cập nhật định tuyến được phát sinh từ các hàng xóm mà đã chọn nó là MPR Mỗi nút cũng có thể khám phá liệu các nút có là hàng xóm hai bước từ bản tin Hello, bởi vì danh sách các hàng xóm hai bước đã được liệt kê trong bản tin Hello của nút hàng xóm trực tiếp của nó Mỗi nút lựa chọn MPR trên cơ sở hàng xóm hai bước, do vậy mỗi hàng xóm hai bước phải nhận được bản tin MPR

2.3.3 Sự hoạt động của giao thức

OLSR được modul hóa thành “lõi” chức năng, chức năng đó luôn cần thiết cho giao thức để hoạt động, và một tập hợp các chức năng hỗ trợ Lõi quy định rằng một giao thức có thể đưa ra định tuyến trong mạng Ad hoc độc lập Mỗi chức năng

hỗ trợ cung cấp thêm các chức năng, và chúng có thể ứng dụng trong những kịch bản đặc biệt (ví dụ, trong trường hợp một nút cung cấp kết nối giữa Ad hoc và miền định tuyến khác) Tất cả các chức năng hỗ trợ là tương thích khi chúng được thực hiện với lõi Hơn nữa, giao thức cho phép các nút khác loại mà thực hiện các tập con khác nhau của các chức năng hỗ trợ để cùng tồn tại trong mạng Mục đích phân chia sự thực thi OLSR thành lõi chức năng và một tập hợp của các chức năng hỗ trợ

để đưa ra sự đơn giản và dễ dàng để hiểu về giao thức

2.3.4 Sự hoạt động của lõi

Sự thực thi lõi của OLSR là cách thực hiện của mỗi nút, được cung cấp với giao diện OLSR, tham gia vào mạng Ad hoc và chạy giao thức định tuyến OLSR

Nó bao gồm các đặc điểm quan trọng của bản tin giao thức OLSR và cơ chế truyền của nó trên mạng như nhận thức liên kết, sự quảng bá topo, và tính toán tuyến đường

Lõi bao gồm các thành phần sau:

2.3.4.1 Định dạng và gửi gói tin

Một đặc điểm quan trọng của định dạng gói tin và tối ưu thuật toán phát tràn lan

là được sử dụng như cơ chế vận chuyển cho tất cả các lưu lượng điều khiển OLSR OLSR giao tiếp sử dụng một định đạng gói tin kết hợp cho tất cả các gói tin dữ liệu Mục đích của nó là để dễ dàng hơn trong việc mở rộng giao thức mà không bị mất tương thích Nó cũng đưa ra con đường dễ dàng khi cõng các “dạng” khác nhau của thông tin trong chỉ một lần truyền, và dó đó có thể tận dụng được tối đa frame-size Những gói tin này được chèn vào trong gói dữ liệu (datagram) UDP để truyền trên mạng

Mỗi gói tin đóng gói một hoặc nhiều hơn một bản tin Những bản tin chia sẻ một định dạng header chung, nó cho phép các nút nhận và truyền các bản tin mà không biết dạng

Bản tin có thể được phát tràn lan trên toàn bộ mạng, hoặc có thể được giới hạn trong một đường kính (số chặng) từ nút gửi Do đó, truyền một bản tin tới nút hàng xóm của nút là một trường hợp của sự phát tràn lan Khi phát tràn lan bản tin điều khiển, các bản sao của bản tin sẽ bị loại bỏ và được tối thiểu hóa trong mạng

Hơn thế, mỗi nút có thể kiểm tra header của một bản tin để thu được thông tin

từ một số chặng tới nút gửi Do đó, thông tin thời gian về một bản tin điều khiển được cất giữ trong một nút phụ thuộc vào khoảng cách từ nút đó tới nút gửi

Mỗi gói tin OLSR bao gồm: packet header, message header, message

Packet header:

• Packet length: chiều dài gói tin, tính theo byte

• Packet sequence number(PSN): PSN được tăng thêm một mỗi khi có một gói OLSR được truyền đi

• Message Size: trường này chỉ ra kích thước của bản tin này, nó được tính là

từ điểm bắt đầu của trường “Message Type” của gói tin này cho đến điểm bắt đầu

“Message Type” của gói tin kế tiếp

• Originator Address: trường này chỉ ra địa chỉ nút khởi tạo bản tin, trường này

là cố định và không bị thay đổi khi truyền bản tin

• Time to Live: chỉ ra số chặng lớn nhất mà bản tin đi qua Trường này sẽ giảm đi 1 trước khi bản tin được truyền đi Khi một nút nhận được TTL bằng 0 hoặc

1 thì bản tin này sẽ không được truyền nữa Thông thường, một nút sẽ không nhận bản tin với TTL bằng 0

Hình 2.5 Định dạng gói tin OLSR

• Hop Count: trường này chứa số chặng mà bản tin đã đi qua Nó được khởi tạo bằng 0, và trước khi truyền một bản tin, trường này sẽ tăng thêm 1

• Message Sequence Number: nút khởi tạo sẽ xác định một giá trị duy nhất cho mỗi bản tin Nó được chèn vào trường Sequence Number của bản tin Trường Message Sequence Number được sử dụng để đảm bảo rằng bản tin

sẽ không bị truyền lại

2.3.4.2 Nhận thức với liên kết

Nhận thức với liên kết được thực hiện thông qua các bản tin Hello định kỳ qua kết nối đã được kiểm tra Một bản tin Hello được phát sinh cho mỗi giao diện Sự nhận thức này tạo ra một tập hợp liên kết cục bộ Nếu lớp liên kết cung cấp đầy đủ thông tin, nó có thể được tận dụng để phổ biến các tập hợp liên kết cục bộ thay vì trao đổi bản tin Hello.

2.3.4.3 Phát hiện hàng xóm

Một mạng trong đó các nút chỉ có một giao diện, một nút có thể bỏ đi tập hợp hàng xóm trực tiếp từ các thông tin được thay đổi trong khi nhận thức liên kết: “địa chỉ chính” của các nút giao diện đơn chính là địa chỉ của cổng trên nút đó Trong một mạng mà một nút có nhiều giao diện, thông tin thêm vào để ánh xạ địa chỉ giao diện sang địa chỉ chính Những thông tin thêm vào này được thực hiện thông qua bản tin MID (Multiple Interface Declaration)

2.3.4.4 Sự chọn lọc MPR và tín hiệu hóa MPR

Mục tiêu của sự chọn lọc MPR cho mỗi nút là lựa chọn một tập con trong số hàng xóm của chúng để truyền bản tin quảng bá và sẽ được nhận ở tất cả các nút hàng hàng xóm hai bước Tập hợp MPR của một nút được tính toán cho mỗi giao diện Thông tin cần thiết để thực hiện sự tính toán này được thực hiện thông qua trao đổi định kỳ bản tin Hello

2.3.4.5 Sự truyền bá bản tin điều khiển topo

Bản tin điều khiển topo được truyền đi với mục đích cung cấp cho mỗi nút trong mạng các thông tin liên kết trạng thái đầy đủ để cho phép tính toán được tuyến đường

2.3.4.6 Tính toán tuyến

Thông tin trạng thái liên kết đưa ra được thực hiện thông qua trao đổi định kỳ các bản tin , cũng giống như cấu hình giao diện của các nút, bảng định tuyến của mỗi nút có thể tính toán được

2.3.5 Ưu điểm và nhược điểm của giao thức định tuyến OLSR

Ưu điểm