MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ của GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV sử DỤNG tác tử DI ĐỘNG

MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV SỬ DỤNG TÁC TỬ DI ĐỘNG Cung Trọng Cường Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế 70 Nguyễn Huệ, TP Huế Email: ctcuong@hueic.edu.vn

MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

AODV SỬ DỤNG TÁC TỬ DI ĐỘNG

Cung Trọng Cường

Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế

70 Nguyễn Huệ, TP Huế

Email: ctcuong@hueic.edu.vn

Võ Thanh Tú

Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế

77 Nguyễn Huệ, TP Huế Email: vothanhtu_hue@yahoo.com

Nguyễn Thúc Hải

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội

Email:haint@soict.hut.edu.vn

Tóm tắt – Để nâng cao chất lượng dịch vụ cũng như khai thác

hiệu quả tài nguyên mạng MANET, việc nghiên cứu cải tiến

các giải pháp, kỹ thuật của mạng MANET, đặc biệt nghiên cứu

các giao thức định tuyến để cải tiến hoạt động là cần thiết và

được nhiều nhóm nghiên cứu tham gia Trong bài báo này,

chúng tôi tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến AODV, từ

đó đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả hoạt động của giao

thức định tuyến này về mặt xác suất nghẽn mạng dựa trên

công nghệ tác tử di động Chúng tôi sử dụng phương pháp mô

phỏng để đánh giá hiệu quả thực thi của thuật toán được đề

xuất

Từ khóa: MANET routing, mobile agent, AODV

I GIỚITHIỆU Công nghệ mạng máy tính và truyền thông đang ngày càng

phát triển, đặc biệt là các công nghệ truyền thông không dây

đã được triển khai ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực Đối

với một số ứng dụng đòi hỏi tính di động cao và mật độ

truyền lớn thì khả năng đáp ứng của các cơ chế định tuyến

thích nghi như AODV (Ad hoc On Demand Distance

Vector), DSR (Dynamic Source Routing) [1] vẫn còn một

số hạn chế Vì vậy, trong thời gian gần đây, các nhà nghiên

cứu đã cố gắng nâng cao tính sẵn sàng và tin cậy trong bài

toán định tuyến thích nghi để đáp ứng nhanh với sự di động

của hệ thống Một trong những giải pháp đã được sử dụng là

tác tử di động (Mobile Agent) [2], sử dụng đặc tính tự trị và

khả năng di động từ nút này sang nút khác để hoàn tất tác

vụ Ý tưởng chính của việc ứng dụng tác tử di động là di

chuyển xử lý đến gần nguồn dữ liệu, nhờ đó có thể giảm tải

mạng, khắc phục tình trạng trễ, hỗ trợ xử lý không đồng bộ

và tạo ra sự tương thích mạnh trên các môi trường không

đồng nhất Với các ưu điểm này, công nghệ tác tử di động

hứa hẹn một giải pháp mới, hiệu quả và có nhiều thuận tiện

trong việc ứng dụng vào điều khiển các giao thức mạng

Đặc trưng cơ bản nhất của các mạng di động là mỗi nút

mạng đều có khả năng di chuyển Vì vậy, vấn đề cập nhật

thông tin trạng thái mạng tại mỗi nút và mỗi nhóm di động

để có cơ chế truyền, nhận và định tuyến dữ liệu một cách tối

ưu là điều đặc biệt quan trọng Với phương thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu, khi có một yêu cầu từ nguồn đến đích, nút nguồn phải khởi đầu một quá trình định tuyến, quá trình này chỉ hoàn tất khi đã tìm ra một lộ trình sẵn sàng hoặc tất cả các lộ trình khả thi đều đã được kiểm tra Khi một lộ trình đã được tìm ra và thiết lập, nó được duy trì bởi một số dạng thủ tục cho đến khi hoặc là lộ trình đó không thể truy nhập được từ nút nguồn hoặc là lộ trình đó không cần thiết nữa Do vậy, việc tích hợp tác tử di động vào điều khiển các giao thức định tuyến trong mạng MANET nhằm cải thiện hiệu năng của các giao thức định tuyến là điều cần thiết và

có ý nghĩa quan trọng

Các phần tiếp theo của bài báo được tổ chức như sau: Phần 2 trình bày nguyên lý của giao thức định tuyến AODV,

để từ đó phân tích những ưu nhược điểm của giao thức định tuyến này Đồng thời, chúng tôi cũng trình bày một số công trình nghiên cứu đã công bố liên quan đến việc sử dụng tác

tử di động vào điều khiển quá trình định tuyến Phần 3 trình bày giao thức định tuyến cải tiến AODV mà chúng tôi đã đề xuất dựa trên công nghệ tác tử di động Hiệu quả thực thi của thuật toán AODV cải tiến được đánh giá bằng phương pháp

mô phỏng mà chúng tôi trình bày trong phần 4 Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển của bài báo

II GIAOTHỨCĐỊNHTUYẾNAODV Giao thức định tuyến AODV dựa trên thuật toán vector khoảng cách nhưng thuộc loại định tuyến theo yêu cầu, nó chỉ yêu cầu đường định tuyến khi cần thiết Giao thức này kông sử dụng cơ chế định tuyến nguồn và cũng không cần biết thông tin về các nút láng giềng của nó, AODV dựa trên các entry của bảng định tuyến để phát gói tin RREP về nút nguồn và nút nguồn dùng thông tin đó để gởi dữ liệu đến đích Để đảm bảo rằng thông tin trong bảng

định tuyến là mới nhất thì AODV sử dụng kỹ thuật

Sequence Number (kỹ thuật này dùng để nhận ra các con

đường đi không còn giá trị trong quá trình cập nhật bảng

định tuyến) để loại bỏ những đường đi không còn giá trị

trong bảng định tuyến Mỗi nút sẽ có một bộ tăng số

Sequence Number riêng cho nó

Quá trình định tuyến của AODV cũng bao gồm 2 cơ

chế chính: cơ chế tạo thông tin định tuyến và cơ chế duy trì

thông tin định tuyến [3]

- Cơ chế tạo thông tin định tuyến sẽ được thiết lập khi

một nút nguồn có nhu cầu trao đổi thông tin với một nút

khác trong hệ thống mạng MANET, mỗi nút trong hệ

thống mạng luôn duy trì 2 bộ đếm: Bộ đếm Sequence

Number và Bộ đếm REQ_ID Cặp thông tin <Sequence

Number, REQ_ID> là định danh duy nhất cho một gói

tin RREQ

- Cơ chế duy trì thông tin định tuyến: Cơ chế hoạt động

của AODV là không cần phải biết thông tin về các nút

láng giềng, chỉ cần dựa vào các entry trong bảng định

tuyến Vì vậy, khi một nút nhận thấy rằng Next hop

(chặng kế tiếp) của nó không thể tìm thấy, thì nó sẽ

phát một gói RRER (Route Error) khẩn cấp với số

Sequence number bằng số Sequence number trước đó

cộng thêm 1, Hop count bằng ∞ và gởi đến tất cả các

nút láng giềng đang ở trạng thái active, những nút đó sẽ

tiếp tục chuyển gói tin đó đến các nút láng giềng của

nó, và cứ như vậy cho đến khi tất cả các nút trong

mạng ở trạng thái active nhận được gói tin này

Sau khi nhận thông báo này, các nút sẽ xóa tất cả các

đường đi có chứa nút hỏng, đồng thời có thể sẽ khởi động

lại tiến trình Route discovery nếu nó có nhu cầu định tuyến

dữ liệu đến nút bị hỏng đó, bằng cách gởi một gói tin RREQ

(với số Sequence number bằng số Sequence number mà nó

biết trước đó cộng thêm 1) đến các nút láng giềng để tìm

đến địa chỉ đích

Thuật toán khám phá lộ trình tại mõi nút của giao thức

AODV được thực hiện theo các bước như sau:

- Bước 1: Xem các gói RREQ đã được xử lý chưa? Nếu

đã được xử lý thì nó sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử

lý thêm Ngược lại chuyển qua bước 2

- Bước 2: Nếu trong bảng định tuyến của nó chứa đường

đi đến đích, thì sẽ kiểm tra giá trị Destination sequence

number trong entry chứa thông tin về đường đi với số Destination sequence number trong gói RREQ, nếu số Destination sequence number trong RREQ lớn hơn số Destination squence number trong entry thì nó sẽ không

sử dụng thông tin trong entry của bảng định tuyến để trả lời cho nút nguồn mà nó sẽ tiếp tục phát Broadcast gói RREQ đó đến cho các nút láng giềng của nó Ngược lại nó sẽ phát Unicast cho gói RREP ngược trở lại cho nút láng giềng của nó để báo đã nhận gói RREQ Gói RREP ngoài các thông tin như: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích,…còn chứa các thông tin: destination sequence number, hop-count, TTL Ngược lại thì qua bước 3

- Bước 3: Nếu trong bảng định tuyến của nó không có

đường đi đến đích thì nó sẽ tăng số Hop-count lên 1, đồng thời nó sẽ tự động thiết lập một đường đi ngược (Reverse path ) từ nó đến nút nguồn bằng cách ghi nhận lại địa chỉ của nút láng giềng mà nó nhận gói RREQ lần đầu tiên Entry chứa đường đi ngược này sẽ được tồn tại trong một khoảng thời gian đủ để gói RREQ tìm đường đi đến đích và gói RREP phản hồi cho nút nguồn, sau đó entry này sẽ được xóa đi

Quá trình kiểm tra này sẽ lặp tuần tự cho đến khi gặp nút đích hoặc một nút trung gian mà có các đều kiện thỏa bước 2 Trong quá trình trả về gói RREP, một nút có thể nhận cùng lúc nhiều gói RREP, khi đó nó sẽ chỉ xử lý gói RREP có số Destination Sequence number lớn nhất, hoặc nếu cùng số Destination sequence number thì nó sẽ chọn gói RREP có số Hop-count nhỏ nhất Sau đó nó sẽ cập nhật các thông tin cần thiết vào trong bảng định tuyến của nó và chuyển gói RREP đi

Trong thời gian gần đây, đã có nghiên công trình nghiên cứu đề xuất các thuật toán cải tiến cho AODV để nâng cao hiệu quả hoạt động của chúng Trong đó có một số công trình đã sử dụng tác tử di động để điều khiển quá trình định tuyến Một trong những hướng cải tiến giao thức các giao thức AODV là cải tiến khả năng di động [4], trong đó tập trung vào tính toán tình trạng tắc nghẽn tại nút và chọn lựa đường đi với nút ít tắt nghẽn thay vì chọn nút gần nhất của thuật toán gốc Với việc sử dụng tác tử di động, một số tác tử di động được cọng vào trong trong giao thức AODV,

nó mang thông tin và tình trạng tắt nghẽn của nút mạng khi các tác tử di động chạy qua các nút mạng, nó có thể chọn một nút có ít tải nhất trong các nút xung quanh và cập nhật bảng trạng thái theo hướng phù hợp với tình trạng tắc

nghẽn với sự trợ giúp của tác tử di động, các nút có thể lấy

hình trạng mạng động liên tục

Năm 2008, nhóm nghiên cứu Hong L et al đã đề xuất

giải pháp sử dụng tác tử di động để điều khiển tắc nghẽn

trong mạng MANET dựa trên giao thức định tuyến AODV

[5] Tác tử di động được tích hợp vào các nút mạng để cập

nhật thông tin trạng thái và tình trạng tắc nghẽn của mỗi nút

Tình trạng tắc nghẽn được xác định bằng tỷ lệ của chiều dài

bộ đệm hiện hành so với chiều dài cực đại Từ đó, mỗi nút

được phân chia thành 3 trạng thái, đó là: trạng thái không

tắc nghẽn, trạng thái tắc nghẽn trung bình và trạng thái tắc

nghẽn nghiêm trọng Thuật toán định tuyến sẽ lựa chọn lộ

trình tối ưu dựa trên 3 trạng thái này Các tác giả đã sử dụng

phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu quả thực thi của

phương pháp đề xuất Kết quả mô phỏng cho thấy rằng độ

trể trung bình của các gói tin trên mạng nhỏ hơn so với thuật

toán AODV

Một nhóm nghiên cứu khác đã đề xuất một thuật toán

định tuyến mới có tên là ant-AODV dựa trên giao thức

AODV kết hợp với tác tử di động [6] Ant-AODV cung cấp

khả năng kết nối giữa các nút cao, giảm bớt công việc khám

phá lộ trình mỗi khi có một yêu cầu truyền dữ liệu mới

Điều này cho phép làm giảm độ trể truyền thông và được

chứng minh bằng phương pháp mô phỏng

Trong bài báo này, chúng tôi cũng sử dụng tác tử di

động để cập nhận thông tin trạng thái cho giai đoạn khám

phá lộ trình của giao thức AODV Tác tử di động thực hiện

chức năng cập nhật tình trạng tắc nghẽn tại nút mạng dựa

trên thông tin trong các bảng định tuyến của mỗi nút

III THUẬTTOÁNAODVCẢITIẾN

A Ý tưởng của thuật toán

Một trong những vấn đề gây ra tình trạng nghẽn lưu

lượng trong mạng MANET là do mật độ lưu lượng phân

phối đến các nút trung gian không đồng đều nhau Nguyên

nhân là do cơ chế khám phá lộ trình của thuật toán định

tuyến, có nhiều nút chứa nhiều lộ trình đi qua chúng Để

khắc phục điều này, chúng tôi tích hợp tác tử di động vào các

nút mạng để cập nhật thông tin về mật độ lưu lượng tại nút

đó Mật độ lưu lượng được xác định là tổng số lộ trình đi qua

nút đó trên tổng số lộ trình trong mạng Thuật toán AODV

cải tiến sẽ lựa chọn lộ trình sao cho tỷ lệ này là nhỏ nhất nhằm hạn chế nghẽn lưu lượng tại các nút trung gian

B Mô tả thuật toán

Thuật toán AODV cải tiến được thực hiện trên cơ sở thuật toán AODV truyền thống, quá trình định tuyến cũng được thực hiện qua 2 giai đoạn là khám phá lộ trình và duy trì lộ trình Tuy nhiên, mỗi giai đoạn đều được điều khiển bởi tác tử di động chứa thông tin trạng thái mỗi nút mạng để tôi

ưu hóa việc định tuyến

Giai đoạn khám phá lộ trình được thực hiện theo các bước như thuật toán AODV truyền thống đã được mô tả chi tiết ở phần 2 Trong bước khám phá lộ trình, chúng tôi tích hợp tác tử di động bằng gói tin FA (Forward Agent) gửi kèm cùng gói RREQ và gói BA (Backward Agent) để cập nhật thông tin trạng thái nút mạng Cấu trúc gói tin FA được mô

tả như hình 1, trong đó chức năng của các trường được mô tả như sau:

- ID: Số thứ tự của yêu cầu khám phá lộ trình

- Src_ID: Địa chỉ nút nguồn của lộ trình cần khám phá

- Dest_ID: Địa chỉ nút đích của lộ trình cần khám phá

Hình 1 Cấu trúc của Agent FA

Tình trạng tắc nghẽn của nút mạng được cập nhật bởi tác tử di động BA Cấu trúc của BA được mô tả như ở hình

2 với các trường như sau:

Hình 2 Cấu trúc Agent BA

- ID: Số thứ tự của yêu cầu khám phá lộ trình

- Intermediate_ID: Địa chỉ của các nút trung gian trên

lộ trình cần khám phá

- CP: mức độ tắc nghẽn của nút trung gian đang xét Giá

trị của CP được ước lượng bằng tỷ lệ giữa tổng số lộ trình đi qua nút đang xét và tổng số lộ trình đã thiết lập trong mạng CP được tính theo phương trình sau:

I

R

R

CP  (1)

Với R I là tổng số lộ trình đi qua nút trung gian đang xét,

R A là tổng số lộ trình trên toàn mạng

Khi các nút nguồn nhận được agent phản hồi BA, nó sẽ

lựa chọn lộ trình có mức độ tắc nghẽn thấp nhất dựa trên giá

trị của trường CP được tính theo phương trình (1) chứa trong

agent này

IV MÔPHỎNGVÀĐÁNHGIÁKẾTQUẢ

Để đánh giá hiệu quả thực thi của thuật toán AODV cải

tiến, chúng tôi tiến hành mô phỏng trên nền hệ mô phỏng các

sự kiện rời rạc OMNeT++ [7], so sánh với các thuật toán

truyền thông là AODV đã được cài đặt trong module

adHocSim [8] Giao diện chính của chương trình mô phỏng

như hình 3, chúng tôi mô phỏng trên tôpô có 50 nút Các

được kết nối trên hình biểu thị rằng tại thời điểm đang xét

chúng là các nút láng giềng của nhau

Hình 3 Một topo mô phỏng mạng MANET

Cấu trúc nút mạng được thiết kế như ở hình 4, với chức

năng của các khối được mô tả như sau:

- Khối App: Phát sinh các ứng dụng, tức là các yêu cầu

định tuyến lưu lượng qua mạng

- Khối Router: Thực thi thuật toán định tuyến AODV và

AODV cải tiến

- Khối Mac: Thực hiện đóng gói, truyền lưu lượng qua

các lộ trình tìm được

- Khối Physic: Xác định topo mạng, các kết nối vật lý

giữa các nút láng giềng

- Khối Mobility: Điều khiển quá trình di chuyển của các

nút

- Khối MobileAgent: Phát sinh các agent, cập nhật thông

tin trạng thái mạng và điều khiển quá trình truyền/nhận agent trong mạng

Hình 4 Cấu trúc nút mạng MANET có tích hợp Tác tử di động điều khiển định tuyến

Kết quả mô phỏng trên hình 5 xác suất gói tin rơi của AODV và AODV cải tiến Ta thấy rằng, thuật toán AODV cải tiến thực thi hiệu quả hơn thuật toán AODV truyền thống về mặt xác suất nghẽn mạng trong trường tốc độ di chuyển trung bình của mỗi nút vừa phải (từ 6 m/s đến 22 m/s) Vì vậy, trong trường hợp này, tỷ lệ gói tin truyền thành công của AODV cải tiến cao hơn AODV và được thể hiện rõ trên hình 6 Đây là một kết quả có ý nghĩa trong việc

áp dụng tác tử di động vào điều khiển các giao thức định tuyến trong mạng MANET nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng

Hình 5 So sánh xác suất gói tin rơi của AODV

và AODV cải tiến

Hình 6 So sánh tỷ lệ gói tin truyền thành công

của AODV và AODV cải tiến

Kết quả mô phỏng trên hình 7 là trễ truyền tải gói tin

trung bình của thuật toán AODV và AODV cải tiến Ta thấy

rằng, trễ truyền tải gói tin trung bình của 2 thuật toán là

tương đương nhau khi tốc độ di chuyển của trung bình của

các nút thay đổi

Hình 7 Trễ truyền tải gói tin trung bình của AODV và

AODV cải tiến

V KẾTLUẬN Công nghệ mạng không dây đang phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Việc áp dụng các công nghệ thông minh vào các giao thức điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên mạng là điều cần thiết và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Bài báo đã tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng tác tử di động vào điều khiển các giao thức định tuyến trong mạng MANET nhằm nâng cao hiệu quả của thuật toán định tuyến AODV về mặt xác suất nghẽn mạng Chúng tôi đã đề xuất các thuật toán định tuyến AODV cải tiến trên cơ sở cải tiến thuật toán định tuyến AODV truyền thống, sử dụng tác tử di động để điều khiển quá trình khám phá lộ trình bằng cách cập nhật thường xuyên tình trạng tắc nghẽn trong mỗi nút mạng Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tích hợp tác tử di động vào thuật toán AODV đã mạng lại hiệu quả về mặt xác xuất nghẽn mạng

Tuy nhiên, chúng tôi chỉ mới tập trung vào cải tiến tình trạng nghẽn mạng Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu quả về độ trễ trung bình, phân tích trường hợp tốc độ di chuyển của nút mạng cao

CÁCTÀILIỆUTHAMKHẢO

[1] C.V Mahapurush, S.S Manvi, M.S.Kakkasageri,

Performance Analysis of AODV, DSR, and Swarm

Intelligence Routing Protocols In Vehicular Ad hoc

Network Environment, International Conference on

Future Computer and Communication, pp.21-25,

2009

[2] Joseph P Macker, William Chao, Ranjam Abramson,

Multi-Agent Systems in Mobile Ad hoc Networks,

Naval Research Laboratory, 2007

[3] Elizabeth M Royer et al., “A Review of Current

Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless

Networks”, IEEE Personal Communications, Vol.6

pp.46-55, 1999

[4] Jdrees, M Yousaf, M M Jaffry, S W Pasha, M A

Hussain S A; Punjab University College of

Information Technology, Enhancements in AODV

Routing Using Mobility Aware Agents, The IEEE

International conference on Emerging Tecnology,

pp.98-102, 2005

[5] Hong Li, Chu Dan, Wang Min, Li Shurong,

“Mobile agent based Congestion Control AODV

Routing Protocol”, 4th International Conference on

Wireless Communications, Networking and Mobile

Computing (WiCOM '08), pp.1-4, 2008

[6] Shivanajay Marwaha, Chen Khong Tham, Dipti

Srinivasan, “A novel routing protocol using mobile

agents and reactive route discovery for ad hoc

wireless networks” 10th IEEE International

Conference on Networks (ICON 2002), pp.331-226,

2002

[7] http://www.omnetpp.org/documentation

[8] http://www.omnetpp.org/omnetpp/doc_details/211

8-adhocsim