MANET - định tuyến dựa trên tiên đoán vị trí : Luận văn ThS Kỹ thuật điện tử - viễn thông: 2.07.00

Từ đó, có thể nhận thấy một số đặc điểm nổi bật của M ANET có ảnh hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng [24]: • Cấu hình mạng động: Do sự di chuyển của các núi, mạ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

v € MẠNH CƯỜNG

M A N E T- Đ ỊN H T U Y Ế N DựA T R Ê N T IÊ N Đ O ÁN V Ị T R Í

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và 'lĩiône tin liên lạc

TÓM TẮ T 3

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

DANH MỤC BẢNG B lỂ ư 6

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮVIÊT TẮT 7

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 10 •

1.1 Mạng di động Ad hoc (MANET) 10

1.1.1 Sự phát triển của mạng 11

1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng 13

1.1.3 Các đặc điểm mạng 14

1.2 Vấn đề định tuyến 15

1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 15

1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET 17

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MANET 19

2.1 Các kỹ thuật định tuyến MANET 19

2.1.1 Định tuyến L S v à D V 19

2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phán ứng 19

2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhạt theo sự k iệ n 20

2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp 20

2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán 20

2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng 21

2.1.7 Đơn đường và đa đường 21

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến MANET 21

2.2.1 Giao thức DSDV 22

2.2.2 Giao thức OLSR 23

2.2.3 Giao thức AODV 24

2.2.4 Giao thức DSR 25

2.2.5 Giao thức TOR A 26

2.2.6 So sánh các giao thức 27

2.3 MANET- Định tuyến dựa trên tiên đoán vị trí 30

2.3.1 Giao thức cập nhật 31

2.3.2 Tiên đoán 34

2.3.3 Định tuyến ỌoS 36

CHƯƠNG 3: MÔ PHÒNG CÁC MẠNG DI ĐỘNG AD HOC 39

3.1 Mô hình các MANET 39

M Ụ C L Ụ C M Ụ C L Ụ C 1

3.3 Thiết lập MANET dùng mô phỏng trong NS2 40

3.3.1 Mô phòng mạng không dây di độno, 40

3.3.1.1 Nút di động mô phỏng 40

3.3.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ 42

3.3.1.3 Hoạt động của nút di động 43

3.3.2 Tạo ngữ cảnh 43

3.3.2.1 Các mô hình chuyển động 44

a.Mô hình Random Waypoint 44

b Mô hình Random W alk 45

c Mô hình Random Direction 47

3.3.2.2 Các mô hình thông lượng 48

3.4 Tổng quan quá trình mô phỏng 49

3.5 Mô phỏng các giao thức định tuyến 50

3.5.1 DSDV.T 7 50

3.5.2 AODV 51

3.5.3 DSR 51

3.5.4 TORA 52

3.5.5 OLSR 53

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN VÀ ĐỊNH TƯYẺN QOS D ựA TRÊN TIÊN ĐOÁN VỊ TRÍ 54

4.1 Các tham số của môi trường 54

4.2 Các độ đo hiệu năng 55

4.3 Các thí nghiệm mô phỏng 56

4.3.1 Thí nghiệm 1: sử dụng mô hình Random Waypoint 57

4.3.2 Thí nghiệm 2: sử dụng mô hình Random W alk 63

4.3.3 Thí nghiệm 3: Sử dụng mỏ hình Random Direction 67

4.3.4 Thí nghiệm 4 : So sánh mô hình thông lượng TCP và CBR trong giao thức định tuyến DSR và DSDV 71

4.4 Nhận xct về hiệu năng của các giao thức 77

4.5 Thí nghiệm 5: Đánh giá định tuyén ỌoS dựa trên tiên đoán vị tri' 80

K Ế T LU ẬN : 85

TÀI LIỆU TH AM K H Ả O 87

2

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1: M ANET 10

Hình 1-2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng 12

Hình 1-3: Mạng WPAN với các kết nối Internet 14

Hình 2-1: Phân loại các giao thức định tuyến mạng M ANET 22

Hình 2-2: Định tuyến trạng thái liên kết và định tuyến cải tiến trong O L S R 24

Hình 2-3: Sự hình thành đường trong giao thức T O R A 26

Hình 2-4: Tần suất cập nhật loại 1 phụ thuộc vận tốc của nút 32

Hình 2-5: Cập nhật loại 2 32

Hình 2-6: Tiên đoán vị trí, sử dụng cập nhật loại 2 35

H ình 3-1: Mô phỏng /?út di động trong NS2 41

Hình 3-2: Mô hình phương tiện chia sẻ trong N S2 42

Hình 3-3: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint 45

Hình 3-4: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk 46

Hình 3-5: Sự di chuyển của một nút theo mô hình Random D irection 47

Hình 3-6: Các mô hình thông lượng trong NS2 48

Hình 3-7: Tổng quan quá trình mô phỏng 49

Hình 4-1: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mỏ hình Random W aypoint 59

Hình 4-2: So sánh trẻ đầu cuối trung bình trong mô hình Random W aypoint 60

Hình 4-3: So sánh tải định tuyên chuẩn hoá trong mô hình Random Waypoint 63

Hình 4-4: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random W alk 65

Hình 4-5: So sánh thời gian trẻ trung bình trong mó hình Random W alk 66

Hình 4-6: So sánh tải định tuyến chuấn hoá trong mô hình Random

W alk 67

Hình 4-7: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mỏ hình Random Direction 69

Hình 4-8: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Direction 69

Hình 4-9: So sánh tải dịnh tuyến chuẩn hoá trong mỏ hình Random Direction 70

Hình 4-10: So sánh tỉ lệ phát gói tin thành công TCP và CBR trong giao thức DSDV 72

Hình 4-11: So sánh tải định tuyến chuẩn hóa của TCP và CBR trong giao thức DSDV 73

Hình 4-12: So sánh phần trăm gói tin phát thành công của TCP và CBR trong giao thức DSR 74

Hình 4-13: Trễ đầu cuối trung bình cüa TCP và CBR trong giao thức DSR 75

Hình 4-14: So sánh tải định tuyến chuẩn hóa TCP và CBR trong giao thức DSR 76

Hình 4-15: Phần trăm lỗi của tiên đoán vị trí và tiên đoán vị trí kết hợp trễ đầu cuối 81

Hình 4-17: Sự chính xác của vị trí dự đoán trế vói cập nhật loại 1 82

Hình 4-17: Tổng số lỗi của khoảng lỗi tăng dần 82

Hình 4-18: số lượng gói tin trung bình cập nhật loai 1 của nút/giây 83

5

DANH MỤC BẢNG BíỂU

Bảng 2-1: So sánh độ phức tạp của các giao thức 28

Bảng 2-2: So sánh giữa các giao thức 29

Bảng 2-3: So sánh giữa các giao thức 30

Bảng 3-1: Các tham số cua mô hình Random W aypoint 45

Bảng 3-2: Các tham số của mô hình Random W alk 46

Bảng 3-3: Các tham số của mô hình Random Direction 47

Bảng 3-4: Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2 50

Bảng 3-5: Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 51

Bảng 3-6: Các tham số hoạt động của DSR trong NS2 52

Bảng 3-7: Các tham số hoạt động của TORA trong NS2 52

Bảng 3-8: Các tham số hoạt động của OLSR trong mô phỏng 53

Bảng 4-1: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random W aypoint 58

Bảng 4-2: Tải định tuyến chuẩn hoá của TORA trong mô hình Random W aypoint 62

Bảng 4-3: Cấu hình các mạng mó phỏng theo IĨ1Ô hình Random Walk 65

Bảng 4-4: Cấu hình các mạng mỏ phỏng theo mô hình Random D irection 68

Bảng 4-5: c ấ u hình mô phỏng đẻ so sánh CBR, TCP trong giao thức DSR và DSDV 71 Bảng 4-6: c ấ u hình mô phỏng định tuyến QoS dựa trên tiên đoán vị trí—81

B Ả N G K Ý H IỆ U C Á C C H Ũ V I É T T Ả T

AODV Ad hoc On-demand

Distance Vector

CBR Constant Bit Rate

CSMA/CA Carrier Sense Multiple

Access with Collision

MAC Medium Access Control

MAN ET Mobile Ad hoc Network

MPR Multipoint Relay

NAM Network Animator NS2 Network Simulator 2 OLSR Optimized Link Slate

Routing Protocol PAN Personal Area Network PDA Personal Digital

Assistant PRnet Packet Radio Network QoS Quality o f Service RIP Routing Information

Protocol RREP Route Reply RJR.EQ Route Request RTS Request To Send

TC Topology Control TORA Temporally-Ordered

Routing Algorithm WLAN Wireless LAN WPAN Wireless PAN

MỞ ĐẦU

Nhằm đạt tới sự giải phóng hoàn toàn của mạng di động không dây vào các

cơ sở hạ tầng mạng cố định, nhiều hướng nghiên cứu, nhiều mô hình kiến trúc hoạt động mới đã được dưa ra Một trong những hướng được đánh giá cao là mạng di động Ad hoc Đây là mạng kết nối các thiết bị tính toán di động như các máy tính Laptop, PDA hay điện thoại cầm tay ở trong cùng một khu vực

mà không cần tới các cơ sở hạ tầng mạng cố định hay đơn vị quản trị trung tâm hỗ trợ [20]

Đặc trưng của truyền thông trong MANET là đa chặng, giữa nút nguồn và nút đích có thể đi qua nhiều nút trung gian Với cấu hình tế bào chuẩn, định tuyến mỗi gói tin chỉ thông qua một chặng từ cơ sở tới nút di động Nhưng trong MANET các gói tin có thể được định tuyến thông qua nhiéu chặng Mặt khác MANET có cấu hình hết sức phức tạp do sự di chuyển của các nút, băng thông liên kết không dây hạn chế, khả năng tính toán và dung lượng bộ nhớ của các nút bị giới hạn Để phát triển MANET trong thực tế cần phải phát triển các giao thức làm việc hiệu quả trong môi trường khá đặc biệt này

Luận văn này nghiên cứu các giao thức định tuyến MANET và đánh giá hiệu năng làm việc của chúng về lý thuyết và thông qua các thí nghiệm mô phỏng mạng Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:

❖ Nghiên cứu môi trường làm việc và các đặc điểm của mạng

❖ Xem xét bài toán định tuyến trong mạng và các giải pháp có thể

❖ Phân loại các giao thức định tuyến

❖ Phân tích và so sánh các giao thức trên cơ sở lý thuyết về độ phức tạp và các đặc tính hoạt động

❖ Xây dung môi trường mô phỏng và tích hợp một số giao thức định tuyến cho MANET trong bộ mô phỏng mạng NS2

❖ Đánh giá các giao thức định tuyến trong các ngữ cảnh với các

thức định tuyến như kích thước mạng, tải mạng, tốc độ thay đổi hình trạng mạng và mô hình di chuyển.

Luận văn bao gổm 4 chương chính ngoài chương giới thiệu và kết luận:Chương I: Giới thiệu về mạng MANET và bài toán định tuyến trong mạng

Chương II: Trình bày về các giao thức định tuyến trong mạng MANET, phân loại về các giao thức, mô tả chi tiết về một số giao thức tiêu biểu

và CBR Đánh giá MANET sử dụng định tuyến dựa trên tiên đoán vị trí

9

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

1.1 Mạng di động Ad hoc (MANET)

MANET (Mobile Ad hoc NETwork) là mạng không dây đặc biệt gồm tập hợp các thiết bị di động với giao tiếp không dây có khả năng truyền thông trực tiếp với nhau khi nằm trong vùng thu/phát sóng của nhau hoặc thông qua các nút trung gian làm nhiệm vụ chuyển tiếp hình 1-1 Trong MANET, các nút vừa đóng vai trò truyền thông vừa đóng vai trò như thiết bị định tuyến Với nguyên tắc hoạt động như vậy, MANET không bị phụ thuộc vào các cơ sở hạ tầng cố định và các đơn vị quản trị trung tâm như các mạng tế bào và WLAN truyền thống

Hình 1-1: MANET

MANET có độ linh hoạt cao với khả năng hoạt động độc lập với cơ sở hạ tầng mạng cố định [14]:

• Triển khai nhanh khi có yêu cầu

• Tin cây và mạnh mẽ do hoạt động phân tán và khả năng tự động cấu hình lại mạng khi có các thay đổi liên kết

• Kết nối không giới hạn

• Chi phí triển khai và hoạt động thấp

Ngoài ra, MANET có ý nghĩa đặc biệt trong quân sự, chống khủng bố, trong các trường hợp tìm kiếm và cứu hộ khẩn cấp và trong việc xây dựng các mạng cảm biến ở các khu vực con người không thể truy cập được

Hỗ trợ đầu tiên cho sự phát triển MANET là việc triển khai mạng ALOHA nãm 1968 [20] Mục tiêu cuả mạng này là kết nối các cơ sở giáo dục ở Hawaii Mặc dù các trạm làm việc là cố định, giao thức ALOHA đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, do đó đã cung cấp cơ sở cho sự phát triển về sau của các lược đồ truy cập kênh phân tán cho phép sự hoạt động của MANET.

Khởi nguồn từ các mạng ALOHA và những phát triển ban đầu của mạng cố định chuyển mạch gói, tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên các mạng vô tuyến gói tin PRnet (Packet Radio network) vào năm 1973 [16] Đây là mạng

vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên Trong ngữ cảnh này, đa chặng có nghĩa là các nút hợp tác để chuyển tiếp truyền thông cho các nút ở xa nằm ngoài vùng truyền thống của một nút PRnet đã cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung cũng như phân tán

Người ta cũng bắt đầu nhận thấy nhiều lợi điểm của làm việc đa chặng so với đơn chặng Triển khai đa chặng tạo điều kiện thuận lợi cho viộc dùng lại các tài nguyên kênh truyền về cả không gian và thời gian và làm giảm năng lượng phát cần thiết Trong khi đó, làm việc đơn chặng chỉ chia sẻ các tài nguyên kênh về thời gian và yêu cầu năng lượng cao hơn để có thể giao tiếp được với các nút ở xa Hình 1 -2 thể hiện sự can nhiễu về không gian trong các ngữ cảnh đa chặng và đơn chặng [20] Trong cả hai trường hợp, ngữ cảnh mạng là hoàn toàn giống nhau về sự phân bố của các nút, nguồn phát và đích Trong trường hợp đa chặng, các gói tin được định truyền thông qua nhiều điểm chuyển phát Tuy nhiên, trong mạng đơn chặng, gói tin được gửi trực tiếp từ nguồn tới đích Các vòng tròn thể hiện mức năng lượng phát cần thiết của mỗi nút để có thể giao tiếp với nút đích

1.1.1 Sự phát triển của mạng

11

Hình 1-2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng

Mặc dù nhiều mạng vô tuyến gói tin đã được phát triển sau đó, các hệ thống không giây này vẫn chưa bao giờ được đưa vào phục vụ người sử dụng thông thường Khi chuẩn IEEE 802.11, một chuẩn cho mạng cục bộ không đây được phát triển, viện IEEE đã thay thế khái niệm mạng vô tuyến gói tin thành MANET Các mạng vô tuyến gói tin do đó thường gắn với các mạng đa chặng rộng lớn trong quân sự IEEE hy vọng loại mạng mới này sẽ được triển khai rộng rãi trong thực tế

Một số công nghệ không dây hiện tại hỗ trợ sự làm việc của MANET là Bluetooth và IEEE 802.11 Trong đó, IEEE 802.11 là chuẩn cục bộ không dây

có sơ sở hạ tầng được bổ sung chức năng hỗ trợ làm viêc MANET [11] Mạng IEEE 802.1 lb làm việc ở dải băng tần 2.4GHz với tốc độ dữ liệu 11 Mbps và hiện tại đã đạt tới 20 Mbps Chuẩn IEEE 802.1 la tiếp theo hoạt động ở giải băng tần 5GHz và tốc độ dữ liệu đạt tới 54Mbps Trong khi đó, Bluetooth là kiến trúc làm việc của MANET không dây dải sóng ngắn cho các mạng cá nhân WPAN Mạng này nhằm mục đích kết nối các thiết bị cá nhân di động như các máy tính laptop, PDA, các thiết bị ngoại vi, điện thoại cầm tay, các máy quay kỹ thuật số, các đầu nghe và các thiết bị điện tử khác Vùng hoạt động của mạng do vậy rất nhỏ, thường dưới 10m xung quanh cá nhân và thường được gọi là không gian hoạt động cá nhân - POS (Personal operating Space)

Các ứng dụng đầu tiên của mạng vô tuyến gói tin MANET là trong quân sự, trong đó sự hoạt động phi tập trung của mạng là một nhu cầu cần thiết Ngày nay, các thiết bị tính toán không dây, di động vẫn có mức gía rất cao Tuy nhiên, khả năng của các máy tính di động sẽ tàng lên và nhu cầu làm việc với mạng không dây sẽ ngày càng tăng MANET có thể được dùng trong các tình huống khi không có cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc mạng tế bào.

MANET có thể được triển khai trong truy cập công cộng không dây ở các khu vực thành phố, trường học giúp thực hiện nhanh các cuộc truyền thông và

mở rộng diện hoạt động Các điểm truy cập có thể dùng như các trạm tiếp sóng cố định thực hiện việc định tuyến giữa chúng và giữa các nút người dùng Một số điểm truy cập có thể dùng như gateway cho phép người dùng kết nối tới mạng xương sống cố định

Ở mức cục bộ, MANET liên kết các máy tính sách tay hoặc các máy tính để bàn để phân phát và chia sẻ thông tin giữa những người tham gia một hội nghị hay lớp học MANET cũng thích hợp cho các ứng dụng trong mạng gia đình Trong đó, các thiết bị có thể truyền thông trực tiếp với nhau để trao đổi thông tin

dữ liệu như âm thanh, hình ảnh, báo thức và các cập nhật cấu hình

Một dạng đặc biệt của MANET là mạng cảm biến (sensor network) được triểt khai trong các ứng đụng về kiểm soát môi trường Các mạng này có thể được dùng để dự báo những ô nhiễm về nguồn nước hoặc những cảnh báo sớm

về lũ lụt hoặc sóng thần

MANET dải sóng ngắn làm đơn giản hoá truyền thông của các thiết bị di động khác nhau như điện thoại tế bào và PDA bằng việc hình thành các mạng WPAN và loại bỏ sự kết nối bằng cáp Mạng có thể giúp chia sẻ khả năng truy cập Internet và các tài nguyên trong mạng như máy in giữa các thiết bị Khả năng này giúp mở rộng tính di động của người dùng Hiện nay, Bluetooth là công nghệ hứa hẹn nhất trong ngữ cảnh làm việc mạng cá nhân hình 1-3 [20]

1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng

13

Hình 1-3: Mạng WPAN với các kết nối Internet

Kết hợp với truyền thông vệ tinh, công nghệ MANET sẽ rất linh động cho việc thiết lập các truyền thông được triển khai nhanh, hoàn toàn không phụ thuộc vào các cơ sở hạ tầng truyền thông cố định

1.1.3 Các đăc điểm mạng

Trong MANET, các nút là di động và được trang bị các bộ phát và nhận tín hiộu không dây sử dụng các loại ăng-ten khác nhau Tại một thời điểm, phụ thuộc vào vị trí của nút và dạng bao phủ của bộ nhận và phát tín hiệu, mức năng lượng phát và mức độ giao thoa cùng kênh,kết nối không dây giữa các nút có dạng ngẫu nhiên và là hình đa chặng Cấu hình này thay đổi theo thời gian do các nút di chuyển hoặc điều chỉnh các tham số phát và nhận sóng

Từ đó, có thể nhận thấy một số đặc điểm nổi bật của M ANET có ảnh hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng [24]:

• Cấu hình mạng động: Do sự di chuyển của các núi, mạng thông

thường là đa chặng, có thể thay đổi một cách ngãu nhiên và nhanh chóng tại bất kỳ thời điểm nào có thể chứa các liên kết hai chiều cũng như một chiều

• Băng thông hạn chế, khả năng của các liên kết có th ể biến đổi: Các liên

kết không dây có băng thông thấp hơn đáng kể so với các đường truyền cáp Thêm vào đó, thông lượng của các đường truyền thông không dây do ảnh hưởng

của đa truy cập, sự suy giảm, nhiễu và các điều kiện giao thoa thường nhỏ hơn tốc độ truyền lớn nhất của sóng vô tuyến.

• Các nút cố năng lượng thấp: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng

MANET dùng pin để cung cấp năng lượng hoạt động cho các thành phần trong thiết bị Do vậy các nút trong MANET thường bị hạn chế về khả năng tính toán của CPU, kích thước bộ nhớ, khả năng xử lý tín hiệu và mức năng lượng phát và nhận sóng

• Bảo mật vật lý có giới hạn: Do việc truyền qua không khí, các mạng

không dây tiềm ẩn nhiều về nguy cơ bảo mật hơn các mạng cáp Nhiều khả năng tấn công bảo mật như nghe trộm, giả mạo và từ chối dịch vụ (DoS) có thể xảy ra Các kỹ thuật bảo mật cần được triển khai trên nhiêu tầng giao thức

để làm giảm các nguy cơ đe doạ việc bảo mật

1.2 Vấn đề định tuyến

Định tuyến mạng là việc tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng Giao thức định tuyến có chức năng chính là lựa chọn đường cho các cặp nguồn - đích và phân phát gói tin tới đích chính xác Truyền thông trong MANET dựa trên các đường đi đa chặng, do vậy định tuyến các gói tin là hoạt động quan trọng Khác với các mạng cố định có cấu hình ít thay đổi hoặc gần như không thay đổi, do truyền tin không dây và có tính chất động của MANET khiến cho các giao thức định tuyến được thiết k ế cho mạng cố định không thể áp dụng hoặc gần như thất bại trong MANET Viộc thiết kế một giao thức định tuyến làm việc hiệu quả trong MANET là một bài toán khó

1.2.1 Các thuật toán định luyến truyền thống

Để tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các bộ định tuyến (router) trong mạng, các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng giải thuật vectơ khoảng cách (Distance Vector Routing-DV) hoặc trạng thái liên kết (Link State Routing-LS) thuật toán DV còn được gọi là thuật toán Bellman- Ford, được dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng INTERNET với tên gọi là giao thức thông tin định tuyến RIP (Routing

15

Information Protocol) Thuật toán LS được sử dụng trong giao thức OLSF (Open Shortest Path First) của Intemet[3].

Trong giải thuật DV, mỗi router quảng bá một cách định kỳ tới các hàng xóm thông tin khoảng cách từ nó tới tất cả các router khác Bằng việc so sánh các khoảng cách từ mỗi hàng xóm tới một đích nào đó, router có thể quyết định hàng xóm nào sẽ là chặng tiếp theo trong trường hợp đi tới đích để đường

đi là tối ưu nhất Bảng định tuyến các router do đó lưu trữ các thông tin về các đích trong mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và khoảng cách tới đích Vấn đề với DV là khả năng hội tụ chậm và sự hình thành các vòng lặp định tuyến

Trong giải thuật LS, mỗi router duy trì thông tin đầy đủ về cấu hình của toàn

bộ mạng Để làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói tin LSP (Link State Packet) có chứa thông tin về các hàng xóm và giá tới các hàng xóm Các thông tin này sẽ được truyển tới tất cả các router trong mạng, từ thông tin về giá của các liên kết trong toàn bộ mạng, các router có thể tính toán đường đi ngắn nhất tới các đích có thể

Việc sử dụng các giao thức truyền thống trong MANET với việc xem mỗi nút như một router dẫn tới một loạt các vấn đề [21]:

• Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định kỳ

• Các nút bị phá vỡ chế độ tiết kiệm năng lượng do liên tục phải nhận

và gửi thông tin

• Mạng có thể bị quá tải với các thông tin cập nhật khi số nút trong mạng tăng,do đó làm giảm tính khả mở của mạng

• Các đường đi dư thừa được tích luỹ một cách không cần thiết

• Hệ thống không thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng

Các giao thức định tuyến truyền thống nếu sử dụng cho MANET sẽ đặt quá nhiều công việc tính toán và truyền thông lên các nút di động trong mạng Yêu cầu về tính hội tụ của các giao thức sẽ không thể thực hiện trong MANET với tính chất động của môi trường Mặc dù tốc độ hội tụ có thể cải thiộn bằng cách gửi các thông điệp cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn nuôi Hơn nữa, khi cấu hình mạng ít thay đổi việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí.

Các giao thức định tuyến trong MANET cần giảm tổng phí cho việc định tuyến, thích ứng nhanh và tự động với các điều kiộn thay đổi của mạng Giao thức phải đảm bảo thực hiện hiệu quả trong môi trường khi các nút đứng yên, băng thông là không giới hạn và đủ hiệu quả khi băng thông tồn tại giữa các nút thấp và mức độ di chuyển và thay đổi cấu hình cao

Do đó, khi nghiên cứu thiết kế các giao thức định tuyến trong MANET, người ta thường phải xcm xét một số yếu tố sau [24]:

• Hoạt động phân tán: Cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại đo sẽ tốn rấtnhiều thời gian để tập hợp thông tin trạng thái hiện tại và phát tán lại nó.Trong thời gian đó, cấu hình mạng có thể đã thay đổi

• Không có lặp định tuyến: Hiện tượng xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin quay vòng trong mạng trong một khoảng thời gian nào đó Một giải pháp có thể là sử dụng giá trị thời gian quá hạn

• Tính toán đường dựa trên yêu cầu: Thay thế việc duy trì định tuyếntới tất cả các nút tại tất cả các thời điểm bằng việc thích ứng với dạng truyểnthông Mục đích là tận dụng hiệu quả năng lượng và băng thông, mặc dù độtrễ tăng lên do sự phát hiện đường

• Tính toán đường trước: Khi độ trễ có vai trò quan trọng và băngthông cũng như năng lượng cho phép, việc tính toán đường trước sẽ làm giảm

O A I H Ọ C Q U Ố C G I A H À N Ô I TRƯNG TÂf>/ TH Ồ VS TIN THƯ VIỀN

1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET

• Bảo mật: Giao thức định tuyến MANET có khả năng bị tấn công dễ dàng bằng một số dạng như xâm nhập truyền thông, phát lại, thay đổi các tiêu đề gói tin, điều hướng các thông điộp định tuyến Do vậy, cần có các phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức.

• Hoạt động nghỉ: Giao thức định tuyến cần cung cấp yêu cầu bảo tồn năng lượng của các nút khi có thể Hỗ trợ liên kết đơn hướng, hỗ trợ trường hợp khi các liên kết đơn hướng tồn tại trong MANET

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYÊN MANET

2.1 Các kỹ thuật định tuyến MANET

Thiết kế của các giao thức định tuyến MANET bao gồm các lựa chọn vẻ thông tin định tuyến được trao đổi, chiến lược phát các thông tin định tuyến và cách tính toán đường đi của gói tin Các kỹ thuật định tuyến khác nhau được

áp dụng trong các giao thức định tuyến MANET có thể được thống kê như sau [18,32]

2.1.1 Định tuyến LS và D V

Một số giao thức định tuyến MANET dựa trên các kỹ thuật định tuyến trong mạng có dây LS và DV để xây dựng các giải thuật thích ứng với MANET Vấn đề định tuyến LS là tổng phí định tuyến tăng cao khi mạng có nhiều thay đổi; đối với định tuyến DV đó là vấn đề hội tụ chậm và khuynh hướng tạo ra các vòng lặp định tuyến Các giao thức định tuyến MANET tìm cách khắc phục các hạn ch ế này bằng một số sửa đổi Một số ví dụ về các giao thức nay

là DSDV,OLSR,

2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng

Định tuyến chủ ứng (Proactive) là phương pháp định tuyến của các giao thức truyền thống; trong đó đường tới tất cả các đích được tính toán trước, các íhông tin định luyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào cấu hình mạng thay đổi Ưu điểm của phương pháp định tuyến này là độ trễ phát gói tin thấp Tuy nhiên, một số đường không cần dùng đến và việc truyền thông điộp định

kỳ tiêu tốn băng thông khi mạng thay đổi nhanh

Định tuyến phản ứng (Reactive) là phương pháp định tuyến theo yêu cầu; trong đó đường tới đích không được tính toán trước mà chỉ được xác định khi cần đến Quá trình phát hiện liên kết bị hỏng và xây dựng lại đường được gọi

là quá trình bảo dưỡng đường Ưu điểm của định tuyến phản ứng là hạn chế được băng thông do chỉ cần đường tới các đích cần thiết và loại bỏ các cập

19

nhật định kỳ Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp định tuyến này là độ trễ lớn trước khi phát do phải thực hiện phát hiện đường.

2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện

Cập nhật định kỳ thực hiện bằng việc phát các gói tin định tuyến một cách định kỳ Kỹ thuật này làm đơn giản hoá các giao thức và cho phép các nút học được cấu hình và trạng thái của của toàn bộ mạng Tuy nhiên, giá trị quãng thời gian cập nhật là một tham số quan trọng

Cập nhật theo sự kiộn diễn ra khi có sự kiện xảy ra trong mạng như liên kết hỏng hoặc liên kết mới xuất hiện Khi đó, gói tin cập nhật sẽ được quảng bá và trạng thái cập nhật được truyẻn trong toàn bộ mạng Nhưng khi mạng thay đổi nhanh, số lượng gói tin cập nhật sẽ lớn và có thể gây ra các dao động về đường

2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút trong mạng ở cùng mức với nhau và có chức năng định tuyến như nhau Cấu trúc phẳng đơn giản và hiệu quả với các mạng nhỏ Tuy nhiên, đối với các mạng lớn, lượng thông tin định tuyến cũng

sẽ lớn và mất nhiều thời gian hơn để thông tin định tuyến có thể tới được các nút ở xa

Đối với các mạng lớn, định tuyến phân cấp được áp dụng để giải quyết vấn

đề trên Trong định tuyến phân cấp, các nút được tổ chức động thành các phân hoạch gọi là cụm (cluster), sau đó các cluster được kết hợp lại thành các phân hoạch lớn hơn gọi là các siêu cụm (supercluster), V V Việc tổ chức mạng thành các cluster giúp duy trì cấu hình mạng tương đối bền vững Tính chất động cao của các thành viên và cấu hình mạng được giới hạn trong cluster Chỉ có thông tin mức cao, ổn định như mức cluster hoặc supercluster được truyén qua khoảng cách xa do đó truyền thông điều khiển hay tổng phí định tuyến được giảm đáng kể

2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán

Trong các giao thức dựa trên tính toán phi tập trung, mọi nút trong mạng duy trì thông tin toàn cục hoàn chỉnh về cấu hình mạng để tính toán các

đường đi ngay khi cần rinh toán đường trong các giao thức sử dụng trạng thái liên kết (Link State) là ví dụ của tính toán phi tập trung Trong các giao thức dựa trên tính toán phân tán, mọi nút trong mạng duy trì thông tin cục bộ

về cấu hình mạng Khi một đường cần được tính toán trong giao thức sử dụng véc-tơ khoảng cách (Distance vector) và phát hiện đường trong giao các thức theo yêu cầu thuộc vào tiếp cận này

2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng

Trong định tuyến nguồn, nút nguồn đặt toàn bộ đường trong tiêu đề của gói tin dữ liệu, các nút trung gian chuyển tiếp các gói tin theo đường trong đề Các giao thức này loại bỏ nhu cầu quảng bá đường định kỳ và các gói tin phát hiện hàng xóm Vấn đề lớn nhất với định tuyến nguồn là khi mạng lớn và đường đi dài, viộc đặt toàn bộ đường trong tiêu đề gói tin sẽ làm tăng lãng phí băng thông

Trong định tuyến theo chặng, đường tới đích được phân tán theo các chặng Khi một nút nhận được gói tin cần di động chuyển tới đích, nút chuyển tiếp gói tin theo chặng tiếp theo tương ứng với đích Vấn đẻ là tất cả các nút duy trì thông tin định tuyến và có khả năng tránh được việc hình thành lặp định tuyến

2.1.7 Đơn đường và đa đường

Một số giao thức định tuyến tìm một đường duy nhất từ nguồn tới đích Do

đo, giao thức trở nên đơn giản và tiết kiệm được không gian lưu trữ Tuy nhiên, một số giao thức khác lại áp dụng việc tìm nhiều đường Mục tiêu của các giao thức này là sự tin cậy và mạnh mẽ

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến MANET

Với các kỹ thuật định tuyến được trình bày, có thể có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến MANET như dựa trên cấu trúc (phẳng hay phân cấp), thông tin trạng thái (toàn cục, phi tập trung hay phân tán), sự lập lịch tính toán đường (chủ ứng hay phản ứng) Hình 2-1 là một sơ đồ phân loại các giao thức định tuyến MANET dựa trên cách tính toán các đường đi [9,32] Theo phương pháp này, các giao thức định tuyến MANET được chia thành lớp các giao thức

21

chủ ứng, phản ứng và các giao thức lai sử dụng kết hợp hai cơ chế Sơ đồ phân loại còn thể hiên các quan hệ giữa các giao thức.

Hình 2-1: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET

2.2.1 Giao thức DSDV

DSVD là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên vectơ khoảng cách theo chặng [5] Mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến có chứa chặng tiếp theo và số chặng tới mỗi đích trong mạng Để giữ cho các bảng định tuyến được cập nhạt, DSDV yêu cầu mỗi phút phát quảng bá định kỳ các cập nhật định tuyến tới các hàng xóm và phát ngay các cập nhật khi có các thay đổi quan trọng xảy ra trong mạng

Để tránh lặp định tuyến, DSDV sử dụng số thứ tự gắn với mỗi đường Số thứ

tự cho thấy độ mới của đường Đường có số thứ tự cao hơn được xem là tốt hơn Tuy nhiên, hai đường có cùng số thứ tự nhưng đường nào đó có số đo tốt hơn thì sẽ tốt hơn Số thứ tự này được khởi tạo ban đầu bởi nút đích Mỗi nút

trong mạng quảng bá bằng việc tăng đều đặn số thứ tự của mình theo số chẵn

Số thứ tự này được tăng lên một (trở thành số lẻ ) bởi nút phát hiện đường tới

đích có liên kết hỏng do không nhận được các cập nhật định kỳ Trong lần

quảng cáo đường sau, nút phát hiện liên kết hỏng sẽ quảng bá đường tới đích

có số chặng vô hạn và số thứ tự đường mới (số thứ tự lể).

Ngoài ra, để tránh sự bùng nổ các cập nhật định tuyến tại các thời điểm cấu hình mạng thay đổi nhanh, DSDV cũng áp dụng cơ chế hãm các cập nhật tức thời khi có các thay đổi xảy ra trong mạng bằng việc ghi nhận các quãng thời gian xảy ra những thay đổi về đường, DSDV làm trễ các cập nhật tức thời theo thời gian đó

Nhằm làm giảm hơn nữa lượng thông tin trong các gói tin cập nhật,

DSDV sử dụng hai loại thông điệp cập nhật là: cập nhật đầy đủ {full dump)

và cập nhật bổ sung (increm ental dump) Cập nhật đầy đủ mang tất cả

thông tin định tuyến có trong nút và cập nhật bổ sung chỉ mang các thông tin từ những thay đổi từ lần cập nhật đầy đủ gần nhất Để làm được điều này, DSDV lưu trữ hai bảng khác nhau, một dùng để chuyển tiếp các gói tin, một dùng để phát các gói tin cập nhật bổ sung Cập nhật đầy đủ được truyền tương đối ít thường xuyên khi ít cộ sự di chuyển của nút Khi các nút mạng di chuyển thường xuyên, cập nhật đầy đủ được phát để các cập nhật

bổ sung sẽ nhỏ hơn Tuy nhiên, khi có các thay đổi trong mạng, nút thông thường chỉ phát cập nhật bổ sung

2.2.2 Giao thức OLSR

OLSR là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên trạng thái liên kết [26] Sự khác nhau giữa OLSR và định tuyến theo trạng thái liên kết trong mạng có dây là OLSR dựa trên các chuyển phát đa điểm MPR hình 2-2 Các điểm chuyển phát MPR là số tối thiểu các nút trong số các hàng xóm trực tiếp có thể chuyển tiếp các gói tin của nút tói nút xa hơn Ý tưởng của chuyển phát đa điểm là tối thiểu hoá việc làm tràn ngập các thông điệp quảng bá trong mạng.OLSR sử đụng hai loại thông điệp điều khiển HELLO và TC (Topology Control) Thông điệp HELLO được phát định kỳ để cảm nhận trạng thái liên kết với các hàng xóm và xây dựng lên tập MPR Thông điệp HELLO chỉ được gửi đi một chặng nhưng thông điệp TC được quảng bá trong toàn mạng Các thông điệp TC dùng để quảng bá thông tin về danh sách các MPR của mỗi nút

và được phát định kỳ Tuy nhiên, chỉ các núl trong tập MPR là chuyển tiếp các thông điệp TC.

Đ ịn h tu vén irạn£ Uiiỉi liCn k c t Đ ịn h tu y ế n O L S R

2.2.3 Giao thức AODV

AODV là giao thức phản ứng dựa trên bảng [4,25] Mỗi nút duy trì một bảng định tuyến chứa đường đi tới những đích mà nút giao tiếp Mỗi đường được lưu với các thông tin về địa chỉ đích, số chặng, chặng tiếp theo, thời gian tồn tại của đường, trạng thái đường, thống tin ghi nhận các yêu cầu đã được xử lý

AODV sử dụng các thông điệp khác nhau để phát hiện và duy trì các liên kết Khi có yêu cẩu vé đường, nếu đường chưa biết được hoặc đã quá hạn, nút quảng bá thông điệp yêu cầu đường RREQ ( Route REQuest) tới tất cả các hàng xóm RREQ được phát đi toàn mạng cho tới khi đến được đích hoặc một nút có dường đi tới đích Trcn đường đi qua mạng RREQ khởi tạo đường

quay trở về nguồn tạm thời tại các nút đi qua Nút cũng lưu trữ định danh của các RREỌ đã nhận đổ loại bỏ các RREQ được nhận lại.

Khi RREQ tới đích hoặc nút có đường hợp lệ tới đích, gói tin trả lời RREP (Route REPLY) được khởi tạo và gửi quay trở lại nút nguồn qua đường đi đã được thiết lập bởi RREQ Trong qúa trình đó RREP thiết lập đường hướng tới đích tại các nút chuyển tiếp Khi RREP tới được nguồn, đường từ nguồn tới đích đã được thiết lập Nếu nút nguồn không nhận được RREP trong khoảng thời gian nào đó, nút sẽ gửi lại RREQ hoặc giả thiết là không có đường tới đích

Để cảm nhận liên kết, AODV sử dụng các thông điệp HELLO được quảng

bá định kỳ tới các hàng xóm Thông điệp HELLO cho biết về sự tồn tại của nút và liên kết với nút vẫn hoạt động Khi thông điệp HELLO không đến từ một hàng xóm trước đó, nút đánh dấu liên kết tới hàng xóm đó là hỏng và thông báo cho các nút bị ảnh hưởng bằng việc gửi thồng báo lỗi đường RERR (Route ERRor) Trong cài đặt, việc phát hiện liên kết lỗi có thể thực hiện bởi lớp vật lý hoặc lớp liên kết

2.2.4 Giao thức DSR

DSR là giao thức phản ứng dựa trên định tuyến nguồn [7,8] Mỗi gói tin mang trong tiêu đẻ một danh sách có thứ tự và đẩy đủ về các nút cần đi qua để tới đích Do đó, các nút trung gian chỉ cần duy trì các liên kết với các hàng xóm để chuyển tiếp các gói tin Tuy nhiên, nút nguồn cần biết thứ tự hoàn chỉnh các chăng tới đích

Mỗi nút duy trì một bộ nhớ đường đi - Route Cache có chứa các đường đi

đã biết Khi đường được cần đến không có trong Route Cache, quá trình phát hiện được khởi tạo bằng việc phát gói tin yêu cầu đường Route Request Khi một nút nhận được gói tin yêu cầu đường nút tìm trong Route Cache đường tới đích được yêu cầu Nếu đường trong Route Cache không tìm thấy, nút chuyển

tiếp gói tin yôu cầu đường cho các hàng xóm sau khi bổ sung địa chỉ vào thứ

tự các chặng được lưu trong gói tin yêu cầu đường Gói tin yêu cầu đường được truyền qua mạng cho tới khi đến đích hoặc nút có đường đi tới đích, nếu

25

đường được tìm thấy, gói tin trả lời (Route Reply) có chứa thứ tự các chặng tới

đích được gửi trở lại nguồn

Để đảm bảo các đường đi được hợp lệ, DSR sử dụng cơ chế bảo trì đường đi

để phát hiện các thay đổi liên kết Các cơ chế bảo trì đường bao gồm việc thực hiện các biên nhận theo chặng hoặc đầu cuối, kèm theo đó là cơ chế phát các

gói tin Route Error để thông báo về sự đứt liên kết DSR có thể sử dụng thông

tin trạng thái được truyền từ lớp MAC để thông báo về sự đứt liên kết này

Trong trường hợp có sự đứt liên kết, gói tin Route Error được gửi lại cho nút nguồn Nút nguồn sau đó sẽ xoá bỏ liên kết bị hỏng ra khỏi Route Cache và

tất cả đường có chứa chặng này được cắt tại thời điểm có liên kết bị hỏng

Ngoài ra, các nút trung gian chuyển tiếp gói tin Route Error có thể cập nhật Route Cache theo cách tương tự.

Hình 2-3: Sự hình thành đường trong giao thức TORA

Hoạt động của TOR A có thể phân tách thành 3 chức năng cơ bản: Tạo

đường, duy trì đường và xoá đường Việc tạo đường về cơ bản là thực hiện gán

các hướng cho các liên kết trong một mạng hoặc phần mạng vô hướng để tạo

nên đồ hình có hướng không có vòng lặp {Directed Acyclic Graph -DAG ) gốc

đặt tại đích hình 2-3

TOR A gắn mỗi độ cao tương ứng với đích cho mỗi nút mạng Tất cả thông điệp trong mạng đi theo chiều từ nút có độ cao lớn hơn đến nút có độ cao thấp hơn giống chiều chảy của dòng nước Đường được phát hiện bằng các gói tin truy vấn (QUERY) và cập nhật(UPDATE) Khi một nút cần đường đi tới đích, nút sẽ gửi quảng bá một tin QUERY Gói tin QUERY được truyền qua mạng cho tới khi đến đích hoặc một nút có đường đi tới đích Nút trả lời đường sau

đó sẽ quảng bá thông điệp UPDATE có chứa độ cao của nút Mọi nút nhận được gói tin UPDATE sẽ thiết lập độ cao lớn hơn độ cao thông điệp UPDATE

và quảng bá goi tin UPDATE của mình Kết quả là các liên kết trực tiếp từ nút khỏi đầu của gói tin QUERY tới đích hình thành Nút nguồn do đó có thể nhận được nhiều đường

Cơ chế duy trì đường là phản ứng của giao thức với các thay đổi cấu hình mạng Khi một nút phát nhiện đường tới đích không còn hợp lệ, nút điều chỉnh

độ cao của mình là độ cao lớn nhất trong số các hàng xóm và phát một gói tin UPDATE Khi phát hiện thấy sự phân hoạch mạng, tất cả các liên kết trong phần mạng bị phân hoạch ra khỏi đích được đách dấu là vô hướng để xoá các đường đi không hơp lệ Việc xoá các đường được thực hiện bằng các thông điệp CLEAR

2.2.6 So sánh các giao thức

Bảng 2-1 so sánh độ phức tạp của các giao thức với các tiêu chuẩn[9,321:

• Độ phức tạp lưu trữ kích thước lưu trữ mỗi nút cần để lưu các thông

tin cần thiết cho việc định tuyến

• Độ phức tạp thời gian: số các bước cần để thực hiện một hoạt động của

giao thức

• Độ phức tạp truyền thông: số thông điệp cần để thực hiện một hoạt

động của giao thức

27

Các ký hiệu trong bảng gồm có: M: số nút chuyển tiếp sóng (MPR); N: Tổng số nút trong mạng, A: Số trung bình các nút liền kề (các nút hàng xóm); D: Đường kính của mạng (số chặng lón nhất trong mạng); Dd: Số các đích giao tiếp lớn nhất.

Giao thức Độ phức tạp

lưu trữ

Độ phức tạp thời gian

Độ phức tạp truyền thông

• Thông tin lưu trữ: Thông tin được lưu tại mỗi nút

• Thời gian cập nhật: áp dụng trong các giao thức định tuyến chủ ứng Các

giá trị so sánh là: định kỳ, theo sự kiện và lai (kết hợp cả hai cơ chế), đối với các giao thức phản ứng, khi liên kết bị hỏng, cơ chế duy trì đường được thực hiện, việc xây dựng lại đường được gọi là hướng sự kiện

• Thông tin cập nhật: Thông tin về trạng thái liên kết Đối với các giao

thức phản ứng, cơ chế duy trì đường theo sự kiện, thông tin cập nhật là các thông điệp ROUTE-ERROR

• Đối tượng cập nhật: là các hàng xóm hoặc các nút nguồn bị ảnh hưởng.

• Phương pháp cập nhật:quảng bá(broadcast) hoặc đơn hướng (unicast).

• Tính toán đường: Khi nào đường được tính toán Có ba trường hợp: tính

định tuyến trước, việc tính toán có thể thực hiện bởi nút hoặc hợp tác, phân tán giữa các nút Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến phản ứng, việc tính toán đường thông thường là viộc gửi quảng bá thông điệp truy vấnđường được truyền qua toàn mạng để phát hiện đường.

• SỐ đường ' SỐ đường tìm thấy lưu trữ.

• Duy trì đường: Việc có áp dụng hay không cơ chế duy trì đường trong

các giao thức

Giao thức Thông tin Thời gian

cập nhật Thông tin cập nhật

đối tượng cập nhậtDSDV Véc tơ khoảng

cách

Định kỳ và theo sự kiện

Véc tơ khoảng cách

Các hàng xóm

thông tin liên kết cục bộ và hàng xóm (MPR)

Thông điệp TC:

thông tin về các MPR

Tất cả các nút trong mạng

AODV Chặng tiếp

theo tới đích

có giao tiếp

Cơ chế duy trì đường theo sự kiện

Thông điệp lỗi đường (route error)

Thông điệp lỗi đường (route error)

Một đường (đường

đi ngắn nhất)

Gứi các cập nhật định kỳ và theo

sự kiệnOLSR Quảng bá Trước, thực

hiên bởi nút

Một đường(đường

đi ngắn nhất)

Gửi các cập nhật

theo yêu cầu, quảng bá thông điệp truy vấn

Một đường(đường đầu tiên nhận được bởi thông điệp trả lời)

Xoá đường, thông báo tới tất

Nhiều đường Xoá đường,

thông báo cho nút nguồn

TOR A Quảng bá Phản ứng

theo yêu cầu, quảng bá thông điệp truy vấn

Nhiều đường đảo ngược liên

kết, sửa đường

Bảng 2-3: So sánh giữa các giao thức 2.3 MANET- Định tuyến dựa trên tiên đoán vị trí

Chúng ta nhận thấy thông tin về bước truyền kế tiếp của giao thức chủ ứng

và các nguồn định tuyến trong giao thức phản ứng rất bất lợi trong thời gian thực Việc cập nhật vị trí mà chúng ta dùng cũng không đáp ứng kịp vì các nút chuyển động liên tục từ vị trí này đến vị trí khác, dẫn đến trễ có hại cho

việc khôi phục thông tin Do vậy ta có thể dùng những vị trí đã được tiên đoán

để định tuyến bước tiếp theo, tránh được sự chậm trễ của đường dẫn qua máy tính

Trước đây giao thức LAR [35] và DREAM [34] đã sử dụng phương án dự đoán yếu, không xét đến hướng di chuyển của nút khi dự đoán vị trí tương lai Trong [36] vị trí và mô hình di động của các nút kế cận được dùng để tính toán thời gian giới hạn két nổi (LET) của sự két nổi giữa các nút Sau dó LET được dùng như số đo cho kết nối Tuy nhiên, những đường xấu so với cách tính theo số đo lại tốt về mặt trễ không được tính đến Hom nữa, cơ chế cập nhật lại quá đơn giản Do vậy cách này không đáp ứng tốt với những thay đổi

về vận tốc và phương hướng vì không có cập nhật để báo hiệu những thay đổi này dưới dạng di động cuối cùng thì cả LAR và DREAM đều chưa nói đến khả năng dùng nguồn tài nguyên ờ các nút khác nhau

Do vậy thực hiện định tuyến QoS, phương pháp của chúng ta sẽ bao gồm:

* Một giao thức được cập nhật

* Lược đồ tiên đoán vị trí trễ

* Giao thức định tuyến QoS để truyền thông tin tới đích

2.3.1 Giao thức cập nhật

Giao thức cập nhật rất cần thiết cho việc phân bố địa lý và các thông tin nguồn (năng lượng pin, tốc độ xử lý, tâm phát ) Ta giả thiết vị trí các nút được b iế t bàng cách đùng GPS hoặc một v ài CƯ chế tương tự Ở đây ta dùng hai cách cập nhật

* Loại 1: Cập nhật theo cách thứ nhất được tạo ra một cách tuần hoàn Nó

có thể được tạo ra với một tần số không thay đổi, có nghĩa là thời gian giữa các cập nhật loại 1 là giữ nguyên không đổi Nói một cách khác tần số của cập nhật loại 1 có thể ihay đổi giữa ngưỡng tối đa (fmax) và tối thiểu (fmin) theo

vận tốc V của nút

31

frequency of update

Hình 2-4: Tần suất cập nhật loại 1 phụ thuộc vận tốc của nút

Do đó, khoảng cách giữa các cập nhật loại 1 giữ nguyên không đổi Chức năng này được minh hoạ ở hình 2-4

Loại 2: Cập nhật theo cách thứ hai được tạo ra khi có một thay đổi đáng kể

về vận tốc của nút hoặc phương hướng của chuyển động từ vị trí mới cập nhật Nút di động có thể tính toán ra một vị trí sắp tới liệu nó có trệch đường một khoảng cách lớn hơn 5 từ vị trí sắp tới đó không Nếu nó bị lệch đường với khoảng cách lớn hơn 5 từ vị trí sắp tới đó thì sẽ cập nhật theo cách hai

Hình 2-5: Cập nhật loại 2

Giả sử kiểm tra định kỳ của một nút cụ thể là tại thời điểm tc thì sau đó nút

đó sẽ tìm ra liệu nó có bị trệch đường hơn 5 từ vị trí được xác định (xc, ye) tại

tc hay không Hơn nữa, chúng ta giả thiết rằng cập nhật gần đây nhất được tạo lập tại thời điểm t, t = tc - At, trong đó At là khoảng thời gian nào đó Chúng ta cũng giả thiết rằng cập nhật này được tạo ra tại điểm (x, y) với vận tốc V, phương hướng được xác định bằng góc 9 ngược chiều kim đồng hồ theo phương nằm ngang Chúng tôi giả thiết vị trí hiện thời của nút tại thời điểm

kiểm tra tc là (xcyc) Coi rằng vận tốc tại thời điểm kiểm tra vc là giữ nguyên không đổi kể từ lần cập nhật trước, ví dụ vc = V Vậy thì vị trí dự đoán (xe, yc) được tính bằng công thức sau:

xc = X = V (te - 1) COS 0

ye = y = V (te - 1) sin e

Bây giờ nếu [(xe - xc)2 + (ye - yc)2]I/2 > ỗ thì cập nhật theo cách hai do có sự thay đổi lớn về mô hình sẽ được tạo ra tại thời điểm kiểm tra Ví dụ như tại tc, giá trị của 5 đủ lớn để tránh những nhiễu loạn nhỏ về phương hướng

Hoặc nếu có thay đổi lớn vể vận tốc tại tc thì cập nhật dạng hai do thay đổi lớn

về mô hình chuyển động đã được tạo ra Trong phần mô phỏng chúng ta định nghĩa thay đổi lớn về vận tốc là sự tăng hoặc giảm > lm /s, có nghĩa như cập nhật dạng hai sẽ được tạo ra nếu I vc - VI > 1/s Nếu như không có thay đổi đáng kể nào về vận tốc hay phương hướng thì cập nhật dạng hai sẽ không đươc tao ra tai L.• • » ụ

Tần số của chu kỳ kiểm tra về những thay đổi lớn trong mô hình chuyển động chắc chắn là lớn hơn giới hạn tối thiểu fmin của cập nhật dạng một Do vậy, những cập nhật nào mà không được cập nhật tuần hoàn mà được tạo ra do thay đổi lớn vê nguồn hoặc đặc tính của nút thì được coi là cập nhật dạng hai.Các gói cập nhật bao gồm báo hiệu về thời gian, toạ độ hình học hiện thời, phương hướng chuyển động, vận tốc và cả các thông tin về tài nguyên liên quan đến nút dùng trong định tuyến QoS Cập nhật cũng bao gồm tham số ổn định của chuyển động (đơn - bit) được dùng trong định tuyến QoS, trong đó chỉ ra cập nhật đó là loại một hay loại hai về mặt khái niệm mà nói thì tham

số ổn định của chuyển động chỉ ra liệu vận tốc và phương hướng chuyển động của nút có phải hằng số không và do vậy có thể dự đoán được Nếu vận tốc và phương hướng thay đổi động lực thì rất khó để dự đoán một cách chính xác

Do vậy, những nút với mô hình chuyển động thay đổi không nên dùng làm nút

tru n g gian vì k ế t nối sẽ c h ậm v à p h ả i th ư ờ n g x u y ê n đ ịn h tu y ế n lại.

33

Để thiết lập một đường kết nối tới một điểm đến b cụ thể thì nguồn a trước hết phải dự đoán vị trí địa lý của điểm đến b cũng như các chặng trung gian, tại thời điểm khi gói tin đầu tiên tiến đến những nút kế tiếp Do vậy, bước này bao gồm dự đoán vị trí cũng như trễ truyền dẫn Dự đoán vị trí được dùng để quyết định vị trí địa lý của một số nút nào đó (hoặc là một nút trung gian hoặc

là điểm đến b) tại 1 khoảng Ihời gian cụ thể tp (trong tương lai) khi gói tin đạt tới nó Sự trễ đường truyền được dùng để ước tính giá trị của tp dùng trong những dự đoán trên Những dự đoán này được thực hiện dựa trên cập nhật trước đây của các nút kế tiếp.

Dự đoán vị trí: Cho (Xị, y,) tại tị và (x2, y2) tại t2 (t2 > tj) là hai cập nh ật

tương ứng mới nhất từ nút đến b tới 1 nút tiếp nhận cụ thể là a Cho cập nhật thứ hai cũng mô tả V là vận tốc của b tại (x2, y2) Giả thiết rằng a muốn dự đoán vị trí của (xp, yp) của b tại một điểm thời gian tp trong tương lai (Chúng

ta trước tiên phải quyết định thời gian tp trong đó vị trí này được dự đoán và đây là lý do xuất hiện dự đoán trễ) Tinh huống này được mô tả trong hình 2-

6 Giá trị của tp được tính bởi a tại thời điểm hiện tại cộng trễ được dự đoán để gói tin đạt tới b từ a.

Từ công thức 2, các tam giac đồng dạng cho ta:

Predicted location (xp,yp)tp

correspoudMK node a does the prediction

vị trí dự đoán tại một nút tương ứng a thì hoàn toàn giống cách tính vị trí

(xc,yc) tại chính nút b Phép tính này (xe,ye) đã được mô tả ở phần trước.

Lưu ý rằng chúng ta tính gần đúng chuyển động của đường cong bằng chuyển động của từng đoạn tuyến tính trong lược đồ dự đoán vị trí Cơ chế của chúng ta có thể đễ dàng mở rộng ra dự đoán vị trí của các nút di chuyển trong một đường vòng

Dự đoán thời gian trễ: Nút tương ứng a tiến hành dự đoán vị trí tại thời điểm

định tuyến cho cả hai nút đích và nút trung gian Vị trí này phải được dự đoán ngay khi gói tiến tới nút đích cho trước hay nút trung gian b Thời điểm này chỉ được biết nếu như thời gian trễ đầu cuối giữa a và b được biết

35

Phương pháp tiếp cận của chúng ta là hiện thời dự đoán rằng thời gian trễ đầu cuối để gói dữ liệu từ a đến b sẽ giống như thời gian trễ do cập nhật mới nhất từ b đến a Chúng ta thu được một vài vết mô phỏng liên quan đến mối tương quan của thời gian trễ đầu cuối trong mạng ad hoc và những vết này xác nhận giá trị của dự đoán này dựa trên những cập nhật mới nhất Dùng các giao thức này trong quá trình cập nhật giúp chúng ta tiên đoán chính xác hơn, nhưng khi đó làm cho phần tiêu đề dài hơn.

2.3.3 Định tuyến QoS

Do cập nhật tài nguyên và vị trí, mỗi nút a đều có thông tin về toàn bộ cấu hình của mạng Vì vậy nó có thể tính toán ra nguồn định tuyến từ chính nó tới bất kỳ nút nào, sử dụng thông tin nó có và có thể bao gồm định tuyến nguồn trong gói được định tuyến.

Thông tin trạng thái về mạng được lưu trữ tại nút a bao gồm 2 bảng Bảng cập nhật và bảng định tuyến Bảng cập nhật bao gồm thông tin liên quan đến mỗi nút mà a nhận được cập nhật từ các nút khác trong mạng Khi một gói cập nhật đến được nút a từ nút b thì thông tin mà nó mang theo dùng để cập nhật bảng này Bảng cập nhật lưu trữ ID của b, thời điểm gói cập nhật được gửi, được nhận, tọa độ hình học của b, tốc độ của b, thông số nguồn của b và hướng chuyển động của b.

Trong bảng cập nhật của một nút k nào đó bao gồm danh sách các nút nằm trong tầm 1,5 lần tầm truyền phát của k (gọi ỉà khoảng cách liền kề) Chọn như vậy để tránh việc các nút nằm ngoài đi vào tầm truyền phát không được tính tại thời điểm cập nhật mới và đảm bảo rằng tại thời điểm cập nhật t các nút nằm trong vùng cận kề cũng không di chuyển vào tầm truyền phát của k tại thời điểm tính toán định tuyển t+St Danh sách này dùng để định tuyến QoS.

Để dự đoán thời gian trễ của vị trí, a cần lưu trữ hai cập nhật cuối cùng của

b trong bảng cập nhật Nút a nhận được cập nhật từ các nút khác trong mạng, (ví dụ các điểm đến có thể của b).

Do vậy bảng cập nhật tại a bao gồm:

Bảng định tuyến tại nút a có thông tin về tất cả các đường kết nối đang hoạt động với nguồn là a Khi một cập nhật được nhận tại a nó kiểm tra xem có định tuyến nào trong bảng bị hỏng hay sắp bị hỏng không Một định tuyến, trong giao thức có thể bị hỏng khi các nút xung quanh di chuyển ra khỏi tầm truyền dẫn của nhau hoặc nguồn tại một nút trung gian nào đấy thay đổi và điều này dẫn đến việc nút mạng không thể hỗ trợ nhiều yêu cầu kết nối của QoS Trong cả 2 trường hợp, việc tính toán lại định tuyến cần phải được khởi xướng Nhờ dự đoán vị trí dựa vào cập nhật, chúng ta có thể dự đoán xem các nút lân cận trên định tuyến có di chuyển ra khỏi tầm truyền phát của nhau không Do vậy, việc tính toán lại định tuyến có thể bắt đầu tnrớc khi định tuyến bị hỏng.

Khi một đường kết nối được yêu cầu đi từ a tới điểm đến b, các mức trung gian tại nút a chỉ rõ yêu cầu kết nối bao gồm một số yêu cầu QoS đối với mức

độ mạng của a Những yêu cẩu của QoS được thổ hiện dưới dạng thời gian ước tính của kết nối, trễ cực đại, rung pha trẽ cực đại Thời gian kết nối có thể được ánh xạ thành công suất pin tối thiểu cần thiết tại các nút trung gian Thời gian kết nối càng dài thì công suất pin để duy trì tại các nút trung gian càng phải nhiều Tương tự như vậy, rung pha trễ cực đại cho phép với một kết nối được ánh xạ thành thừa số ổn định chuyển động Yêu cầu QoS trễ tối đa có thể ánh xạ thành thời gian trễ đầu cuối quan sát được đối với cập nhật từ b tới

a Nút không thoả mãn những yêu cầu của QoS sẽ không được dùng trong định tuyến Do vậy nếu cho trước tài nguyên khả dụng tại các nút và những yêu cầu QoS của kết nối thì kiểm soát đầu vào là có thể thực hiện được.

Đáp lại những yêu cầu kết nối trung gian ở mức mạng của a đầu tiên sẽ tiến hành dự đoán thời gian và vị trí trễ của từng nút trong danh sách cận kề và thu được danh sách những nút lân cận tại thời điểm đang xét Nó quyết định nút lân cận nào (có nguồn, thời gian trễ tối đa độ ổn định cho phép và công suất pin) thoả mãn những yêu cầu của QoS về kết nối làm ứng cử viên Bước tiếp theo ở mức độ mạng là thực hiện việc tìm kiếm điểm đến ứng cử viên đầu tiên

37

lân cận để tìm ra các tuyến đường của ứng cử viên Ở từng giai đoạn của việc tìm kiếm chỉ có những nút lân cận có mức nguồn thoả mãn điều kiện của QoS được xem xét Lưu ý rằng a chỉ dùng tầm nhìn của mạng cho những tính toán toàn bộ Do vậy tìm tuyến đường và kiểm soát đầu vào được thực hiện chặt chẽ tại mỗi chặng Từ các tuyến đường thu được của các ứng cử viên, tuyến đường ngắn nhất về mặt địa lý được chọn và kết nối được thiết lập Các gói thông tin sau đó được chuyển theo tuyến đường đã chọn này cho đến khi kết thúc kết nối hoặc cho đến khi tuyến đường được tính toán lại để dự đoán hỏng hóc Gói thông tin bao gồm tuyến đường nguồn Do vậy thuật toán để tính toán tuyến đường sẽ cho ra kết quả tuyến đường thẳng ngắn nhất tới đích nếu

Do một vài lý do ví đụ như tín hiệu bị mờ phadinh vì chướng ngại vật hoặc các nút lân cận đột nhiên di chuyển ra khỏi tầm, những hư hỏng không dự đoán trứơc được về tuyến đường có thể xảy ra tại bất cứ điểm nào trong khi một gói vẫn đang trong đường di chuyển Trong những trường hợp như vậy, một lộ trình mới tới đích có thể được khởi xướng từ nút nơi mà lộ trình bị hỏng khi gửi gói “bị kẹt” này Nếu hư hỏng do các nút lân cận đột nhiên di chuyển khỏi tầm thì nó sẽ được nguồn phát hiện ngay qua các dự đoán và tuyến đường này sẽ không được dùng cho các gói trong tương lai nữa.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG CÁC MẠNG DI ĐỘNG AD HOC

3.1 Mô hình các M A N ET

Có rất nhiều cách để mô hình hóa các mạnh máy tính: phân tích hình thức,

đo thực và mô phỏng [1 ] Tuy nhiên không có kỹ thuật nào thích hợp cho việc nghiên cứu MANET hơn dùng phương pháp mô phỏng.

Bộ mô phỏng chúng ta sử dụng để nghiên cứu là NS2 của trường Đại học Berkeley thuộc dự án VINT (Virtual Network Testbed) NS2 là bộ mô phỏng

đa giao thức, mã nguồn mở.

3.2 Bộ mô phỏng NS2

Là bộ mô phỏng đa giao thức phục vụ cho các nghiên cứu về sự làm việc của mạng N S 2 chứa các thư viện phong phú về các mô hình mạng Khả năng

mô phỏng của NS2 bao gồm cả mạng có dây và không dây.

NS2 còn là phần mềm mã nguồn mở đang được quan tâm và phát triển bởi các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới NS2 được dùng rộng rãi trong việc nghiên cứu MANET, đặc biệt việc mở rộng chức năng mô phỏng MANET là mối quan tâm hàng đầu của của nhóm nghiên cứu MANET, tổ chức IETF [12].

v ề thiết kế chung, NS2 là bộ mô phỏng vận hành theo các sự kiện rời rạc

(Discrete Event-Driven Simulator) [17] Để thực hiện điều này, NS2 sử dụng hàng đợi chứa các sự kiện được sắp xếp theo thứ tự xảy ra.

Để tối ưu hóa việc chạy mô phỏng và mở rộng, NS2 sử dụng mô hình lập trình phân tách, hướng đối tượng gồm hai phần: c++ dùng để phát triển hạt nhân của bộ mô phỏng để làm giảm thời gian xử lý gói tin và các sự kiện là thời gian không tính vào thời gian mô phỏng; OTcl thực hiện việc định cấu hình và điều khiển mô phỏng

NS2 co thể thỏa mãn các nhu cầu của người nghiên cứu mạng với các hồ trợ sau [19]:

39

• Khả năng trừu tượng hóa: Người nghiên cứu có thể nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiều mức khác nhau.

• Khả năng tương tác mạng thực: Cho phép chương trình mô phỏng đang chạy tương tác với các nút mạng thực sự đang hoạt động.

• Khả năng tạo ngữ cảnh: Đ ể kiểm ch ứ n g các giao thức dưới các điều kiện mạng là rất quan trọng để đạt được các kết quả hợp lệ

và có ích NS2 hỗ trợ khả năng tạo tự động các mẫu lưu lượng, hình trạng mạng phức tạp và các sự kiện động như lỗi liên kết để tạo các ngữ cảnh mạng theo yêu cầu nghiên cứu.

• Khả năng trực quan hóa: Khi nghiên cứu cần các công cụ giúp hiểu được các hành vi phức tạp trong mô phỏng NAM cho phép người nghiên cứu có thể hiển thị động, trực quan về giao thức và

có thể dễ dàng gỡ rối các giao thức.

• Khả năng mở rộng được: NS2 cho phét mở rộng dễ dàng các chức năng mới và do đó cho phép thực hiện các nghiên cứu về các giao thức mới

3.3 Thiết lập MANET dùng mô phỏng trong NS2

3.3.1 Mô phỏng mạng không dây di động

a /M ô phỏng lớp vật lý thực

Đặc tả của mô hình phát sóng trong NS2 tương tự như giao tiếp sóng vô