Định tuyến đa phát dựa trên bảo trì tối ưu cây khung trong các mạng tự hợp di động Nguyễn Trung Hải Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính; Mã
Trang 1Định tuyến đa phát dựa trên bảo trì tối ưu cây
khung trong các mạng tự hợp di động
Nguyễn Trung Hải
Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính; Mã số: 60.48.15
Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đại Thọ
Năm bảo vệ: 2010
Abstract: Cung cấp tổng quan về luận văn, từ vấn đề cần đặt ra, đến hướng tiếp cận,
cách thức tổ chức giải quyết vấn đề Trình bày chi tiết về đa phát và đa phát trong mạng MANET Trình bày sâu về bài toán xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung trong mạng động Cải tiến giải thuật xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung trong mạng động
Đề xuất giải pháp mới cho vấn đề cây khung đa phát trong mạng MANET Các kết quả đạt được: Cài đặt, so sánh và đánh giá giải pháp mới Kết luận và các hướng
nghiên cứu tiếp theo
Keywords: Công nghệ thông tin; Mạng Manet; Mạng máy tính; Cây khung; Mạng tự
hợp di động
Content
Mở đầu
Với sự phát triển không ngừng của các thiết bị máy tính cá nhân xách tay và các thiết bị truyền dữ liệu không dây với giá thành ngày càng rẻ, truyền thông không dây giữa những người dùng di động đang càng ngày càng trở nên phổ biến, với mức nhu cầu truyền nhận dữ liệu càng cao, như truyền dữ liệu đa phương tiện, dữ liệu hội nghị truyền hình… Do tính chất
di động của các thiết bị, đôi khi việc thiết lập mạng truyền không cần sự giúp đỡ của các thiết
bị hạ tầng cơ sở cố định, như các trạm phát cơ sở (base station) hoặc điểm truy cập (access point) Thay vào đó, người dùng có thể thiết lập các mạng không dây di động ngang hàng của riêng họ Những mạng này được gọi là mạng tự hợp di động (mobile ad hoc network- MANET)
Năm 2003, Chlamtac, Conti và Liu [1] đã đưa ra khái niệm chính thức về mạng MANET, là mạng động tạm thời được thiết lập bằng một tập hợp các nút mạng không dây di động tự trị mà không cần bất kì sự hỗ trợ về cơ sở hạ tầng mạng cố định cũng như hỗ trợ về quản lí tập trung Các nút mạng tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên và tự tổ chức chính nó bằng một số qui luật chung, do đó, hình trạng mạng có thể thay đổi một cách đột ngột và không thể đoán trước Hơn nữa, các thiết bị không dây di động có sự hạn chế về không gian truyền, năng lượng và năng lực vi xử lí, làm cho toàn bộ mạng MANET có các đặc tính rất tự nhiên như mạng động, băng thông thấp, tỉ lệ mất gói cao, giới hạn năng lượng… (theo Kaliaperumal và Jeyakumar [2]) Do đó, vấn đề lựa chọn thiết kế giao thức truyền thông trong mạng MANET đóng vai trò cốt lõi để đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng
Mạng MANET càng ngày càng có nhiều ứng dụng thực tế, như hội nghị nhóm, các ứng dụng khẩn cấp như cứu hộ, chia sẻ dữ liệu lớn Đặc biệt trong các ứng dụng chia sẻ dữ liệu,
Trang 2một nút mạng có thể chia sẻ dữ liệu cho rất nhiều nút lân cận cùng lúc, do bản chất truyền đa hướng của sóng không dây Tính chất này làm cho các ứng dụng chia sẻ dữ liệu và truyền thông kiểu phát tỏa (broadcast) và đa phát (multicast) được quan tâm nghiên cứu và phát triển nhiều hơn Trong đó, truyền thông đa phát có cách thức thực thi khó khăn và tốn chi phí nhiều hơn so với phát tràn, do phải có cơ chế điều khiển để không truyền dữ liệu tràn lan gây lãng phí băng thông mạng, mà chỉ truyền cho một số thành viên thuộc cùng nhóm truyền thông
Vì thế, nghiên cứu về đa phát và các giao thức định tuyến đa phát trong mạng MANET
là một trong những hướng nghiên cứu thu hút được nhiều sự quan tâm Có nhiều các ý tưởng, giao thức và cách thức tiếp cận khác nhau được đưa ra, nhưng hiện nay vẫn chưa có một chuẩn chính thức được công nhận rộng rãi về mặt học thuật lẫn ứng dụng công nghiệp Luận văn này hướng đến nghiên cứu vấn đề một vấn đề quan trọng của định tuyến đa phát trong mạng MANET: duy trì và bảo toàn hình trạng mạng với chi phí tối thiểu, đảm bảo kết nối được liên tục và chất lượng, bằng hướng tiếp cận ứng dụng các kết quả nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực tính toán phân tán áp dụng cho mạng MANET, từ đó xây dựng nên một giao thức định tuyến đa phát mới, đáp ứng được yêu cầu của một giao thức định tuyến đa phát với kết quả tối ưu về một số thông số được trình bày ở các phần sau
Vấn đề nghiên cứu
Trong định tuyến đa phát, việc duy trì và bảo toàn hình trạng mạng nhằm đảm bảo sự truyền thông được liên tục và bảo đảm chất lượng dịch vụ là một vấn đề then chốt được hầu hết các nghiên cứu quan tâm đến Có nhiều tư tưởng và hướng tiếp cận khác nhau được đặt ra
để giải quyết vấn đề này Một trong những hướng tiếp cận cơ bản và có tính nền tảng là dựa theo lý thuyết đồ thị, trong đó xem xét mạng MANET là một đồ thị có trọng số vô hướng và mạng truyền dữ liệu là một cây nối tất cả các nút trong đồ thị Do từng tính chất của mạng MANET mà yêu cầu xây dựng cây có sự khác biệt, một số mạng chỉ truyền thông đa phát theo kiểu môt-nhiều, trong đó một nút gửi và nhiều nút nhận, lúc đó cây xây dựng hướng vào nút gửi (mô hình Source Based Tree); một số mạng khác xem toàn bộ các nút trong cây là bình đẳng (mô hình Shared Tree) và truyền thông theo kiểu nhiều-nhiều
Luận văn đặt ra vấn đề nghiên cứu truyền thông nhiều-nhiều, do các ứng dụng như hội nghị truyền hình, trong đó mọi thành viên đều có thể phát biểu và truyền dữ liệu, càng ngày càng trở nên phổ biến hơn, thay vì chỉ có một nguồn gửi dữ liệu duy nhất Theo lí thuyết đồ thị, bài toán trở thành xây dựng và bảo trì cây khung nhỏ nhất, lúc đó, chi phí về truyền dữ liệu sẽ được tối ưu nhất Tuy nhiên, cây khung dùng trong định tuyến đa phát (từ đây gọi là cây khung không đầy đủ hay cây khung đa phát) không giống hoàn toàn với cây khung nhỏ nhất thuần túy, lí do là chỉ có một số nút mạng thuộc nhóm đa phát để gửi nhận dữ liệu, một
số nút khác chỉ đóng vai trò định tuyến và chuyển tiếp gói tin chứ không trực tiếp nhận dữ liệu, nếu áp dụng nguyên bản tư tưởng cây khung nối tất cả các nút mạng lại với nhau, thì sẽ không tối ưu về chi phí đường truyền nếu chuyển tiếp gói tin cho những nút không thuộc nhóm đa phát Do đó cần đưa ra một giải pháp tiên tiến hơn để giải quyết vấn đề trên
Một số nghiên cứu cũng đặt ra vấn đề tương tự, tuy nhiên hiệu suất của giao thức vẫn chưa tối ưu, chi phí phụ tải cho điều khiển mạng lớn Luận văn đưa ra một hướng tiếp cận hoàn toàn mới, áp dụng các thành tựu mới nhất trong lĩnh vực tính toán phân toán để đưa ra giao thức xây dựng và bảo trì cây khung đa phát với chi phí tối thiểu hóa, cây khung đa phát được bảo trì là cây khung xấp xỉ nhỏ nhất có thể được
Phương pháp luận
Luận văn được thực hiện dựa trên các thành quả mới nhất trong lĩnh vực tính toán phân
Trang 3O(V)2; giá trị O(V) là giá trị tối ưu nhất có thể có được đối với một mạng có V nút Kết quả này được ứng dụng trong nghiên cứu xây dựng và bảo trì cây khung trong mạng động nhằm tối thiểu hóa chi phí điều khiển mạng, từ đó đưa ra các thành quả mới trong xây dựng và bảo trì cây khung đa phát cũng với chi phí tối thiểu hóa Kết quả độ phức tạp được chứng minh về mặt lí thuyết bằng toán học, đồng thời so sánh đánh giá hiệu năng thực nghiệm với các giao thức tương tự Từ xây dựng một giải thuật toán học thành một giao thức thực tế, luận văn cũng giải quyết rất nhiều vấn đề liên quan đến bài toán đồng bộ xử lí tính toán và khắc phục lỗi Để xây dựng giao thức mạng thực tế, luận văn đi vào tìm hiểu chi tiết tư tưởng và phương thức hoạt động của nhiều giao thức đa phát trên mạng MANET tương tự, từ đó định hình nên các bước giao tiếp chính của giao thức mới Từ đó, giao thức được cài đặt trên bộ công cụ mô phỏng mạng NS-2[3], cung cấp kết quả thực thi trên NS-2 để làm số liệu so sánh đánh giá hiệu năng thực nghiệm với các giao thức phổ biến tương tự như MAODV[9] và PUMA[13],
để chứng minh tính ưu việt về tỉ lệ phát thành công gói tin, độ trễ thấp không hề thua kém các giao thức khác, thậm chí có những thông số ưu việt hơn, trong khi chi phí điều khiển giao thức lại thấp hơn rất nhiều Cuối cùng các kết luận và một số phương hướng cải tiến giao thức được đưa ra để hoàn thiện hơn giải pháp
Tổ chức luận văn
Luận văn được bố cục theo các chương chính sau:
- Chương 1: Giới thiệu: Cung cấp tổng quan về luận văn, từ vấn đề cần đặt ra, đến hướng tiếp cận, cách thức tổ chức giải quyết vấn đề
- Chương 2: Trình bày chi tiết về đa phát và đa phát trong mạng MANET
- Chương 3: Trình bày sâu về bài toán xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung trong mạng động
- Chương 4: Cải tiến giải thuật xây dựng và bảo trì tối ưu cây khung trong mạng động
- Chương 5: Đề xuất giải pháp mới cho vấn đề cây khung đa phát trong mạng MANET
- Chương 6: Các kết quả đạt được: Cài đặt, so sánh và đánh giá giải pháp mới
- Chương 7: Kết luận và các hướng nghiên cứu tiếp theo
References
[1] I Chlamtac,M.Conti,J.Liu, Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges,
Ad-Hoc Networks Journal 1 (Inaugural Issue, 1) (2003)
[2] B Kaliaperumal, A Ebenezer, Jeyakumar, "Adaptive core-based scalable multicasting networks", INDICON, 2005 Annual IEEE (December 2005) pp 198-202
[3] The Network Simulator - ns-2: http://www.isi.edu/nsnam/ns/
[4] James F Kurose and Keith W Ross: Computer Networking; A Top-Down Approach Featuring the Internet
Trang 4[5] C.-K Toh, Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Protocols andSystems, Prentice-Hall, Englewood Cliff s, NJ, USA, 2002
[6] C Perkins, Ad-Hoc Networking, Addison-Wesley, Reading, Mass, USA, 2000
[7] Stojmenovi´c, Ed., Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, John Wiley & Sons, New York, NY, USA, 2002
[8] C S R Murthy and B S Manoj, Ad Hoc Wireless Networks: Architectures and Protocols, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA, 2004
[9] E Royer and C Perkins, “Multicast operation of the ad hoc on-demand distance
vector routing protocol,” in Proceedings of Mobicom, August 1999
[10] Sung-Ju Lee, William Su, and Mario Gerla, "On-demand multicast routing protocol (ODMRP) for ad hoc networks", Internet Draft, draft-ietfmanet-odmrp-02.txt, 2000
[11] Robert G Gallager, Pierre A Humblet, and P M Spira, “A distributed algorithm for minimum-weight spanning trees,” ACM Transactions on Programming Languages and Systems, vol 5, no 1, pp 66–77, January 1983
[12] Baruch Awerbuch, Israel Cidon, Shay Kutten: Optimal maintenance of a spanning tree, J ACM 55(4), 2008
[13] R.Vaishampayan and J.J.Garcia-Luna-Aceves, "Efficient and robust multicast routing in mobile ad hoc networks", IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, pp 304-313, 2004
[14] Yehuda Afek, Baruch Awerbuch, Eli Gafni, "Applying static network protocols to dynamic networks," focs, pp.358-370, 28th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS 1987), 1987
[15] Yehuda Afek and EliGafni, End-to-end communication in unreliable networks,Pro-ceedings of ACM PODC pages 131–148,1988
[16] Edsger W Dijkstra and C S Scholten, Termination detection for diffusing computations, 1980, Inf Proc Letter 11, pages 1-4
[17] Pierre A Humblet, An adaptive distributed Dijkstra shortest path algorithm, 1991
[18] PUMA sourcecode for NS2, http://sourceforge.net/projects/puma-adhoc
[19] MAODV sourcecode for NS2, http://kunz-pc.sce.carleton.ca
[20] Yufang Zhu, Pro-Active Connection Maintenance In Aodv And Maodv (2002)
[21] Gatani, L., Re, G L., e Gaglio, S (2006) An efficient distributed algorithm for