Tìm hiểu và thực hiện mô phỏng mạng Manet

Tìm hiểu và thực hiện, mô phỏng mạng Manet

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

LỜI MỞ ĐẦU vi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 1

1.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG MANET 1

1.1.1 Khái niệm cơ bản 1

1.1.2 Lịch sử phát triển 2

1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MANET 2

1.3 KIỂU KẾT NỐI VÀ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG 4

1.3.1 Các kiểu kết nối topo mạng 4

1.1.3.1 Mạng máy chủ di động 4

1.1.3.2 Mạng có các thiết bị di động không đồng nhất 4

1.3.2 Chế độ hoạt động 4

2.1.3.1 Chế độ IEEE-ad hoc 4

2.1.3.2 Chế độ cơ sở hạ tầng 5

1.4 PHÂN LOẠI MANET 5

1.4.1 Theo giao thức 5

1.4.2 Theo chức năng 7

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 9

2.1 NHỮNG LOẠI ĐỊNH TUYẾN 9

2.1.1 Ðịnh tuyến Bellman-Ford 9

2.1.2 Định tuyến tìm đường 9

2.1.3 Ðịnh tuyến on-demand 10

2.1.4 Định tuyến vùng 10

2.2 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 10

2.2.1 Phân loại giao thức định tuyến 10

2.2.2 Các giao thức định tuyến cơ bản 12

2.2.2.1 Giao thức DSDV(Destination Sequence Distance Vector) 12

2.2.2.2 Giao thức DSR (Dynamic source routing) 13

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA MANET 16

3.1 LĨNH VỰC QUÂN SỰ 16

3.2 LĨNH VỰC THƯƠNG MẠI 16

3.3 NỘI BỘ 16

3.4 PERSONAL ARE NETWORK (PAN): 17

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG MẠNG DÙNG NS2 18

4.1 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG NS2 18

4.1.1 Tổng quan về NS2 18

4.1.2 Kiến trúc của NS2 18

4.1.3 Đặc điểm của NS-2 22

4.1.4 Giới thiệu phần mềm NAM dùng kết hợp với NS-2 22

4.2 SỬ DỤNG OTCL SCRIPT ĐỂ VIẾT CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG MẠNG TRONG NS-2 25

4.2.1 .Tổng quan về OTCL SCRIPT 25

4.2.2 Khởi tạo node 31

KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AgencyIEEE Institute of Electrical and Electronics

routing

routing

UC Berkely University of California Berkely

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Minh họa mạng MANET 2

Hình 1.2 Biểu đồ mạng MANET 2

Hình 1.3 Mạng máy chủ di động 4

Hình 1.4 Hình minh hoạ mạng có các thiết bị di động không đồng nhất 4

Hình 1.5 Chế độ IEEE-ad hoc 5

Hình 1.6 Chế độ cơ sở hạ tầng 5

Hình 1.7 Singal-hop 6

Hình 1.8 Multi-hop 6

Hình 1.9 Mô hình mạng phân cấp 7

Hình 1.10 Mô hình mạng Aggregate 8

Hình 2.1 Mô tả giao thức DSR 14

Hình 3.1 Ứng dụng PAN 17

Hình 4.1 Mô hình đơn giản của NS 18

Hình 4.2 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong Nam 20

Hình 4.3 Kiến trúc của NS2 20

Hình 4.4 TclCL hoạt động như liên kết giữa A và B 21

Hình 4.5 Giao diện đồ hoạ Nam 23

Hình 4.6 Cửa sổ Nam console 24

Hình 4.7 Cửa sổ minh hoạ Nam 24

Hình 4.8 Topology đơn giản và kịch bản mô phỏng 25

Hình 4.9 Minh họa NAM cho kịch bản Otcl 28

Hình 4.10 Node Unicast và node Multicast 31

Hình 4.11 Biểu diễn link giữa 2 node 32

Hình 4.12 Giao diện đồ hoạ người dùng TraceGraph 35

Hình 4.13 Chèn đối tượng Trace 35

Hình 4.14 Định dạng file Trace 36

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng máy tính đang ngày càng phát triển không ngừng và trở nêntiện dùng kèm theo đó là tính phức tạp cồng kềnh không kém Các dự án nghiên cứu,xây dựng và phát triển các môi trường giả lập mạng chỉ mới đề cập và quan tâm đúngmức trong thời gian gần đây Muốn xây dựng các công cụ mạnh đáp ứng được nhu cầuphát triển của mạng thì cần có các công cụ hỗ trợ mạnh mẽ (như C++, Java )

Đề tài “Tìm hiểu và thực hiện mô phỏng mạng Manet” không nằm ngoài xuhướng phát triển chung đặc biệt khi ngày nay mạng không dây di động đang ngày càng

tổ rõ đặc tính nổi bật của mình đó là khả năng cơ động cao, có thể di chuyển một cáchtuỳ ý mà vẫn có thể truy cập mạng và trao đổi dữ liệu với nhau…

Đề tài có ý nghĩa thiết thực trong việc nghiên cứu và phát triển các môi trường giả lậpmạng, đồng thời xây dựng nên một cơ sở nền tảng lý thuyết về xây dựng môi trường

và các công cụ giả lập mạng.

Hình 1.1 Minh họa mạng MANETHình 1.2 Biểu đồ mạng MANET

1.3 KIỂU KẾT NỐI VÀ CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG

1.3.1 Các kiểu kết nối topo mạng

Hình 1.4 Hình minh hoạ mạng có các thiết bị di động không đồng nhất

1.3.2 Chế độ hoạt động

2.1.3.1 Chế độ IEEE-ad hoc

- Chế độ này thì các node di động truyền thông trực tiếp với nhau mà không cầntới một cơ sở hạ tầng nào cả Trong chế độ này thì các liên kết không thể thực hiện quanhiều chặng

Hình 1.5 Chế độ IEEE-ad hoc

2.1.3.2 Chế độ cơ sở hạ tầng

- Chế độ này thì mạng bao gồm các điểm truy cập AP cố định và các node diđộng tham gia vào mạng, thực hiện truyền thông qua các điểm truy cập Trong chế độnày thì các liên kết có thể thực hiện qua nhiều chặng

+ Mô hình này các node có thể di chuyển tự do nhưng chỉ trong một phạm vinhất định đủ để các node liên kết trực tiếp với các node khác trong mạng

Hình 1.7 Singal-hop

- Multi-hop

+ Ðây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, nó khác với mô hìnhtrước là các node có thể kết nối với các node khác trong mạng mà có thể không cần kếtnối trực tiếp với nhau Các node có thể định tuyến với các node khác thông qua cácnode trung gian trong mạng Ðể mô hình này hoạt động một cách hoàn hảo thì cầnphải có giao thức định tuyến phù hợp với mô hình mạng MANET

Hình 1.8 Multi-hop

- Mobile multi-hop

+ Mô hình này cũng tương tự với mô hình thứ hai nhưng sự khác biệt ở đây là

mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian thực: audio, video

1.4.2 Theo chức năng

- Mạng MANET đẳng cấp (Flat)

+ Trong kiến trúc này tất cả các node có vai trò ngang hàng với nhau peer) và các node đóng vai trò như các router định tuyến dữ liệu gói trên mạng Trongnhững mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hoá việc sử dụng tài nguyên băng thôngcủa mạng vì những thông tin điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng Tuy nhiên nóthích hợp trong những topo có các node di chuyển nhiều

(peer-to Mạng Manet phân cấp (Hierarchical)

+ Ðây là mô hình sử dụng phổ biến nhất Trong mô hình này thì mạng chiathành các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cluster, mỗi cluster chiathành nhiều node Có hai loại node là master node và nomal node

 Master node: là node quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của

các node trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại Nói cách khác nó

có nhiệm vụ như một gateway

 Normal node: là các node nằm trong cùng một cluster Nó có thể kết nối

với các node trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node

Hình 1.9 Mô hình mạng phân cấp+ Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì cáctin nhắn chỉ phải truyền trong 1 cluster Tuy nhiên việc quản lý tính chuyển động củacác node trở nên phức tạp hơn Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng cótính chuyển động thấp

- Mạng MANET kết hợp (Aggregate)

+ Mạng = Zones, Zone = nodes

+ Mỗi node bao gồm hai mức topo : Topo mức thấp ( node level ), và topomức cao (zone level )

+ Mỗi node đặc trưng bởi: node ID và zone ID Trong một Zone có thể ápdụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp

Hình 1.10 Mô hình mạng Aggregate

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET

2.1 NHỮNG LOẠI ĐỊNH TUYẾN

nút mạng đều có khả năng di chuyển nên topo mạng cũng thay đổi theo thờigian Ðặc điểm này gây ra khó khăn trong việc truyền tải gói tin Riêng mạng Ad hocgói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và nút mạng do đó để góitin đến được đích thì nút mạng phải sử dụng phương pháp định tuyến Giao thức địnhtuyến có hai chức năng: Tìm, chọn đường đi tốt nhất và chuyển gói tin đến đúng đích

Ta sẽ đề cập sâu hơn về việc tìm, chọn đường của các nút

2.1.1 Ðịnh tuyến Bellman-Ford

- Nhiều lược đồ định tuyến trước đây được xây dựng cho mạng không dây Adhoc dựa trên thuật toán Bellman-Ford Các lược đồ này cũng được nghiên cứu giảiquyết các vấn đề của lược đồ Distance Vector (DV) Trong thuật toán Bellman-Ford,mỗi nút duy trì một bảng định tuyến hay ma trận chứa thông tin khoảng cách và thôngtin về nút kế tiếp của mình trên đường đi ngắn nhất tới đích bất kỳ, trong đó khoảngcách chính là chiều dài ngắn nhất từ nút tới đích

- Ðể cập nhật thông tin về đường đi ngắn nhất mỗi nút sẽ thường xuyên trao đổibảng định tuyến với các nút bên cạnh nó Dựa trên bảng định tuyến từ các nút lân cận

đó, nút nào đó biết được khoảng cách ngắn nhất từ các lân cận của nó tới nút đích bất

kỳ Do đó, với mỗi nút đích, nút xuất phát sẽ chọn một nút trung gian cho chặng kếtiếp sao cho khoảng cách từ nó qua nút trung gian tới nút đích là nhỏ nhất Các thôngtin tính toán mới này sẽ được lưu trữ vào bảng định tuyến của nút này và được trao đổi

ở vòng cập nhật định tuyến tiếp theo

- Ðịnh tuyến này có ưu điểm là đơn giản và tính toán hiệu quả do đặc điểmphân bố Tuy nhiên nhược điểm của nó là hội tụ chậm khi topo mạng thay đổi và có xuhướng tạo các vòng lặp định tuyến đặc biệt là khi các điều kiện liên kết không ổn định

2.1.2 Định tuyến tìm đường

- Các giao thức mới như DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) vàWRP (Wireless Routing Protocol) dựa trên DBF để cung cấp định tuyến lặp tự do.Cho dù là vấn đề đã được giải quyết thì vẫn còn tồn tại vấn đề về độ thiếu chính xáctrong định tuyến DBF, vấn đề này có thể gây ra suy giảm hiệu suất mạng Nguyênnhân dẩn đến sự thiếu chính xác là do nút mạng không có được các thông tin trạng thái

toàn mạng dẩn đến các quyết định đưa ra chỉ tối ưu trong phạm vi cục bộ, nó khôngđảm bảo một giải pháp tối ưu trong môi trường di động Thêm vào đó khi DBF chỉ duytrì một đường đi duy nhất tới đích, nó thiếu khả năng thích nghi với các lỗi liên kết vàyêu cầu nghiên cứu mở rộng cho các hỗ trợ multicasting

2.1.3 Ðịnh tuyến on-demand

- Ðịnh tuyến On-demand được biết đến như DC (Diffusion Computation) cũngđược sử dụng trong mạng không dây Trong lược đồ định tuyến On-demand, một nútxây dựng đường đi bằng cách chất vấn tất cả các nút trong mạng Gói chất vấn tìmđược ID của các nút trung gian và lưu giữ ở phần Path Khi dò tìm các chất vấn, nútđích hay các nút đã biết đường đi tới đích trả lại chất vấn bằng cách phúc đáp “sourcerouted” cho nơi gửi Do nhiều phúc đáp nên có nhiều đường đi được tính toán và duytrì Sau khí tính toán đường đi nút liên kết bất kỳ bắt đầu các chất vấn , phúc đáp khácnên luôn cập nhật định tuyến Mặc dù các tiếp cận dựa trên cơ sở DC có độ chính xáccao hơn và phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi mạng nhưng phụ trợ điều khiển quámức do thường xuyên yêu cầu flooding đặc biệt khi tính di động cao hơn và lưu lượngdày đặc phân bố đều nhau Kết quả là các giao thức định tuyến On-demand chỉ phùhợp với mạng không dây băng thông rộng trễ truyền gói nhỏ và lưu lượng rất nhỏ

2.1.4 Định tuyến vùng

- Ðịnh tuyến vùng là một giao thức định tuyến khác thiết kế trong môi trường

Ad hoc Ðây là giao thức lai giữa định tuyến On-demand với một giao thức bất kỳ đãtồn tại Trong định tuyến vùng mỗi nút xác định vùng riêng khi nút ở khoảng cách nhấtđịnh Ðịnh tuyến vùng trung gian sẽ dùng định tuyến On-demand để tìm đường đi Ưuđiểm của định tuyến vùng là khả năng mở rộng cấp độ khi nhu cầu lưu trữ cho bảngđịnh tuyến giảm xuống Tuy nhiên do gần giống với định tuyến On-demand nên địnhtuyến vùng cũng gặp phải vấn đề về trễ kết nối và điểm kết thúc của các gói yêu cầu

2.2 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

2.2.1 Phân loại giao thức định tuyến

- Ðịnh tuyến theo bảng (proactive)

Trong phương pháp định tuyến theo bảng, các node trong mạng MANET liên

thông tin về cấu hình mạng Khi cấu hình mạng thay đổi, các cập nhật được truyền lantrong mạng nhằm thông báo sự thay đổi Hầu hết các giao thức định tuyến theo bảngđều kế thừa và sửa đổi đặc tính tương thích từ các thuật toán chọn đường dẫn ngắnnhất trong các mạng hữu tuyến truyền thống Các thuật toán định tuyến theo bảngđược sử dụng cho các node cập nhật trạng thái mạng và duy trì tuyến bất kỳ có lưulượng hay không Vì vậy, tiêu đề thông tin để duy trì cấu hình mạng đối với các giaothức này thường là lớn Một số giao thức định tuyến điển hình theo bảng trongMANET gồm:

+ Giao thức định tuyến không dây WRP (Wireless Routing Protocol)

+ Ðịnh tuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Destination SequenceDistance Vector)

+ Ðịnh tuyến trạng thái tối ưu liên kết OLSR (Optimized Link State Routing) + …

- Ðịnh tuyến theo yêu cầu (reactive)

Trong phương pháp định tuyến theo yêu cầu, các đường dẫn được tìm kiếm chỉkhi cần thiết, hoạt động tìm tuyến bao gồm cả thủ tục xác định tuyến Thủ tục tìmtuyến kết thúc khi một tuyến được tìm thấy hoặc không có tuyến khả dụng sau khi xácminh toàn bộ tập hoán vị tuyến Trong mạng MANET, các tuyến hoạt động có thểngừng do tính di động của node Vì vậy, thông tin duy trì tuyến là tối quan trọng đốivới các giao thức định tuyến theo yêu cầu So với các giao thức định tuyến theo bảng,các giao thức định tuyến theo yêu cầu thường có tiêu đề trao đổi thông tin định tuyếnnhỏ hơn Vì vậy, về mặt nguyên tắc, các giao thức này có khả năng mở rộng tốt hơn sovới các giao thức định tuyến theo bảng Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất của các giao thứcđịnh tuyến theo yêu cầu là trễ do tìm kiếm tuyến trước khi chuyển tiếp thông tin dữliệu Ví dụ về một số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm:

+ Giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing)

+ Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc demand Distance Vector routing)

On-+ Giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thời TORA (Temporally OrderedRouting Algorithm)

- Giao thức định tuyến lai ghép

+ Các giao thức định tuyến lai ghép được đề xuất để kết hợp các đặc tính ưuđiểm của các giao thức định tuyến theo bảng và theo yêu cầu Thông thường, các giaothức định tuyến lai ghép Manet được sử dụng trong kiến trúc phân cấp Các giao thứcđịnh tuyến theo bảng và theo yêu cầu được triển khai trong các cấp thích hợp

+ Một số ví dụ về giao thức định tuyến lai ghép:

 Giao thức định tuyến vùng ZRP (Zone Routing Protocol)

 Giao thức định tuyến trạng thái liên kết dựa trên vùng ZHLS (Zone-basedHierarchical Link State routing)

 Giao thức định tuyến mạng tuỳ biến lai HARP (Hybrid Ad hoc RoutingProtocol), v.v

Ngoài ra, chúng cũng được phân loại theo cách khác:

- Link state protocol : Trong các giao thức loại này, các router sẽ trao đổi LSA

(Link state advertisement) với các router khác để xây dựng và duy trì cơ sở dữ liệu vềtrạng thái của toàn mạng (Network topology database) Các thông tin này được traođổi dưới dạng multicast (Một router đến nhiều router khác) Như vậy mỗi router sẽ cómột cái nhìn đầy đủ và độc lập về toàn mạng (Routing table chung) và từ đó sẽ tìmcách xây dựng đường đi ngắn nhất đến đích

- Distance vector protocol : Trong giao thức loại này, các router sẽ chỉ trao đổi

bảng định tuyến (Routing table) riêng của mình đến các router lân cận được kết nốitrực tiếp với mình Như vậy, các router này không tự biết được đường đi đến đích,không biết các router trung gian mà phải dựa vào bảng định tuyến của router lân cận(Bị chi phối bởi các router lân cận)

2.2.2 Các giao thức định tuyến cơ bản

2.2.2.1 Giao thức DSDV(Destination Sequence Distance Vector)

- Mô tả

+ DSDV là giao thức định tuyến vector khoảng cách theo kiểu từng bước:Trong mỗi nút mạng duy trì bảng định tuyến lưu trữ đích có thể đến ở bước tiếp theocủa định tuyến và số bước để đến đích DSDV yêu cầu nút mạng phải gửi đều đặnthông tin định tuyến quảng bá trên mạng

+ Ưu điểm của DSDV là đảm bảo không có đường định tuyến kín bằng cách sử