Giao thức SIP và các ứng dụng đa phương tiện liên quan qua mạng VANET

Giao thức SIP và các ứng dụng đa phương tiện liên quan qua mạng VANET Giao thức SIP và các ứng dụng đa phương tiện liên quan qua mạng VANET Giao thức SIP và các ứng dụng đa phương tiện liên quan qua mạng VANET luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

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

-

Đào Mạnh Tuấn

GIAO THỨC SIP VÀ CÁC ỨNG DỤNG ĐA PHƯƠNG TIỆN

LIÊN QUAN QUA MẠNG VANET

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Đỗ Trọng Tuấn

Mục Lục

Mở Đầu 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 11

Chương I: Tổng Quan 13

1.1 Các mô hình mạng không dây 13

1.1.1 Khái niệm về mạng không dây 13

1.1.2 Khái niệm về mạng adhoc 14

1.1.3 Khái niệm về mạng hạ tầng 17

1.1.4 Tìm hiểu về mạng MANET 18

1.1.5 Tìm hiểu về mạng VANET 20

1.2 Môi trường nghiên cứu 24

1.2.1 Hệ điều hành linux 24

1.2.2 Công cụ mô phỏng NS-3 25

1.3 Tổng kết 27

Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng VANET 28

2.1 Giới thiệu về giao thức định tuyến 28

2.1.1 Chức năng của định tuyến 28

2.1.2 Yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc 30

2.1.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc 31

2.2 Giao thức định tuyến DSDV 34

2.3 Giao thức định tuyến DSR 36

2.4 Giao thức định tuyến AODV 38

2.5 Giao thức định tuyến GPSR 42

2.5.1 Giới thiệu giao thức 42

2.5.2 Cấu trúc của giao thức 45

2.5.3 Định dạng gói dữ liệu GPSR 48

2.5.4 Ưu và nhược điểm 50

2.6 Kết luận 50

Chương 3: Giao thức SIP trong mạng VANET 51

3.1 Tổng quang về giao thức SIP 52

3.1.1 Lịch sử của SIP 53

3.1.2 Các chức năng của SIP 54

3.1.3 Thành phần của SIP 55

3.1.4 Các lệnh trong SIP 58

3.1.5 Ví dụ về một phiên SIP 58

3.1.6 Định dạng bản tin SIP 60

3.2 Truyền thông sử dụng giao thức SIP trong mạng VANET 63

3.2.1 Các vấn đề khi sử dụng giao thức SIP trong mạng VANET 63

3.2.2 Nhắc lại về giao thức định tuyến 67

3.2.3 Cách tiếp cận LCA 67

3.2.4 Cách tiếp cận TCA 70

3.2.5 So sánh LCA và TCA 80

3.3 Kết Luận 81

Chương 4: Ứng dụng đa phương tiện liên quang đến mạng VANET và mô phỏng 82

4.1 Mô hình và thông số trong kịch bản mô phỏng 82

4.2 Mô phỏng mạng VANET trên đường cao tốc bằng công cụ NS3 83

4.3 Các thành phần thiết kế, sau đó bao gồm 5 thành phần chính 83

4.4 Kết luận 89

Kết luận và hướng nghiên cứu 90

Tài liệu tham khảo 91

Danh Mục Hình vẽ

Hình1.1: Mô hình mạng kwhông dây 14

Hình 1.2: Mô hình mạng adhoc 17

Hình 1.3 : Mạng WLAN 18

Hình 1.4: Mô hình mạng VANET 21

Hình 1.5: Ví dụ về việc thông báo nguy hiểm do một xe đột nhiên bị tai nạn 23

Hình 2.2: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Adhoc 32

Hình 2.3 Định tuyến Greedy 42

Hình 2.4: Nhược điểm của thuật toán chuyển tiếp Greedy 43

Hình 2.5: Giới thiệu về giao thức định tuyến GPSR 45

Hình 2.6: sơ đồ khối GPSR 45

Hình 2.7: sơ đồ liên kết 46

Hình 2.8: định dạng gói dữ liệu GPSR 48

Hình 2.9: định dạng header trong gói tin GPSR 49

Hình 3.1: Hoạt động của Proxy server 57

Hình 3.2: Hoạt động của redirect server 57

Hình 3.3: lược đồ một phiên SIP 59

Hình 3.4: Ví dụ về bản tin yêu cầu SIP 61

Hình 3.5: ví dụ về một bản tin phản hồi SIP 62

Hình 3.6: Mạng Adhoc ở chế độ cách ly 64

Hình 3.7: Mạng Adhoc ở chế độ đồng quy 65

Hình 3.8 : Lược đồ chức năng của LCA và TCA 66

Hình3.9: Định dạng bản tin SIPRREQ 68

Hình 3.10: ví dụ về LCA 69

Hình 3.11: Định dạng bản tin SIPRREP 69

Hình 3.12: Định dạng bản tin HELLO 72

Hình 3 13 Định dạng bảng các nút liền kề 73

Hình 3.14: thuật toán lựa chọn Head Cluster 74

Hình 3.15 : Ví dụ về thuật toán lựa chọn head cluster 74

Hình 3.16: Định dạng của bảng các cluster liền kề 76

Hình 3.17: giao thức hình thành các cluster phân tán 77

Hình 3.18: Một ví dụ về tìm định tuyến bản tin SIP 79

Hình 4.1: mô hình các lớp của các thành phần chính trong thiết kế 84

Hình 4.2: Một phân đoạn ngắn của đường cao tốc 86

Hình 4.3: Thời gian thực trôi qua trong 1 phút của mô phỏng giao thông dày đặc ( trung bình 180 xe / 1km) 87

Hình 4.4: Sự dịch chuyển của một chiếc xe và tốc độ trong một bước mô phỏng duy nhất với các giá trị deltaT khác nhau 87 Hình 4.5:So sánh giữa kết quả mật độ trung bình của code trong NS3 và java applet cho dòng lưu lượng khác nhau và tốc độ mong muốn khác nhau 88 Hình 4.6: Trung bình sự khác biệt trong vị trí (m) và tốc độ trung bình (m/s) giữa NS3

và java applet 88 Hình 4.7: Đường cao tốc 1000m với hai làn xe mỗi chiều tại thời điểm 2 phút 40 giây,

xe cảnh sát đã dừng tại làn đường bên cạnh chiếc xe bị hỏng tại thời điểm 20s, gây ra tắc nghẽn sau đó 89

Danh Mục Bảng Biểu

Bảng 1.1: so sánh các lớp của NS2 và NS3 27Bảng 3 1 Các thuật ngữ trong thuật toán checkClusterhead 73Bảng 3.2: So sánh cách tiếp cận LCA và TCA 80

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Thuật ngữ tiếng anh Thuật ngữ tiếng việt

MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng ad-hoc không dây

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

VANET Vehicular Ad-Hoc Network Mạng xe cộ bất định

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Học Viện kỹ nghệ Điện và Điện

Tử CPU Control Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm

PDA Personal Digital Assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhân

QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ

OLSR Optimized Link State Routing Giao thức định tuyến trạng thái

liên kết tối ưu DSDV Dynamic Destination-

Sequenced Distance-Vector Routing

Giao thức định tuyến vector khoảng cách tuần

tự đích AODV On-demand Distance

Vector Routing

Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động

ZRP Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến vùng TORA Temporally Ordered Routing

Algorithm

Thuật toán định tuyến theo thứ tự thời gian GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPSR Greedy Perimeter

Stateless Routing

Định tuyến theo khoảng cách

UTM Universal Transverse

Mercator coordinate system

Hệ thống tọa độ toàn cầu

GPSR-

LA-MA

GPSR –Load Aware – Mobility Aware

Định tuyến theo khoảng cách, hiệu năng băng thông và sự di chuyến

NS2 Network Simulator 2 Chương trình mô phỏng mạng

IP Internet Protocol Giao thức liên mạng

TCL Tool Command Language Ngôn ngữ thông dịch

OTcl Object oriented extension of

Tcl

Đối tượng mở rộng của TCL NAM Network Animator Giao diện mô phỏng

VBR

CBR Constant bit rate Tốc độ bit không đổi

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập thiết bị

Multi-hop Kết nối đa chặng

UDP User Datagram Protocol Giao thức lược đồ người dùng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận RTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền thời gian thực FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin

CBQ Class-based queueing Hàng đợi dựa trên lớp

GPRS General packet radio service Dịch vụ vô tuyến gói chung

Route discovery Tìm định tuyến Route maintenance Duy trì định tuyến IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng quản lý kỹ thuật

Internet UAC User Agent Client Máy trạm người sử dụng

UAS User Agent Server Máy chủ người sử dụng

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên

AOR Address-of-record Địa chỉ của bản ghi

LCA Loosely-Coupled Approach Tiếp cận kết hợp lỏng lẻo

TCA Tighthle-Coupled Approach Tiếp cận kết hợp chặt chẽ

Mở Đầu

Qua những năm gần đây, sự phát triển về mặt kỹ thuật trên toàn thế giới đang diễn ra mạnh mẽ, trong đó có cả nước ta Sự phát triển này nhằm đáp ứng nhu cầu của con người về nhiều mặt, một trong số đó là nhu cầu thông tin liên lạc giữa mọi người ở mọi lúc, mọi nơi Bên cạnh đó, sự bùng nổ của các thiết bị thông minh cầm tay mở với giá thành rẻ, khả năng tự tính toán đồng thời có thể kết nối không dây với nhau mở ra một trang mới trong lĩnh vực viễn thông Đó là sự xuất hiện của mạng không dây

Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng cũng như công nghệ của các thiết

bị di động kéo theo nhu cầu của người sử dụng công nghệ không dây ngày càng cao và

đa dạng Vì vậy để đáp ứng được xu thế đó, mạng thông tin không dây ngày nay phải gánh vác trọng trách lớn hơn là giải quyết vấn đề lưu lượng đa phương tiện, tốc độ cao, chất lượng ngày càng phải tốt hơn

Kết nối mạng không dây đang ngày càng trở nên phổ biến và dễ dàng giúp cho việc truyền thông trở nên nhanh chóng và thuận tiện Mạng Ad-hoc là một mạng

sử dụng các giao tiếp không dây phân tán giữa nhiều điểm truy cập khác nhau

mà không cần tới bất cứ một cơ sở hạ tầng cố định nào Bất cứ thiết bị cầm tay và

cố định nào như điện thoại di động, laptop, máy nhắn tin, các trạm vô tuyến cơ sở đều có thể là một kênh thông tin trong mạng Ad-hoc tạo thành mạng toàn cầu, rộng khắp mọi nơi Các thiế bị này có thể mang trên người (wearable computer), tích hợp vào các đối tượng di chuyển (xe cộ, tàu thuyền, ) hoặc đặt cố định ở các điểm khiến cho việc truyền thông có thể diễn ra ở mọi lúc, mọi nơi Một trong những mô hình cụ thể của mạng Ad-hoc là mạng VANET (Vehicular Ad-hoc Network), ở đó mỗi phương tiện tham gia giao thông (được thích hiện một thiết bị có khả năng kết nối không dây) trở thành một nút của mạng

Những nghiên cứu gần đây đã hiện thực hóa việc thông tin trong mạng hoc, tuy vậy có rất ít nghiên cứu trình bày việc triển khai các ứng dụng thời gian

Ad-thực trong mạng phân tán này Do tính thời sự của thông tin, các ứng dụng thời gian thực ngày càng trở nên quan trọng với xã hội loài người Chúng ta đã quen với những cuộc gọi voice hay video, với những hội nghị trực tuyến qua mạng Internet

Để thực hiện được các ứng dụng này, chúng ta không thể không nhắc tới giao thức chìa khóa SIP SIP được phát triển bởi tổ chứ IETF trong vài năm trở lại đây, và nó

đã chứng tỏ được vai trò nền tảng để xây dựng nên các ứng dụng thời gian thực

Đứng trước sự phát triển của mạng Ad-hoc bên cạnh sự thành công của giao thức SIP trong mạng Internet truyền thống, nhiệm vụ mới được đặt ra với các nhà nghiên cứu là kết hợp chúng lại với nhau Thử tưởng tượng rằng khi bạn đang lái xe trên đường, bạn có thể thực hiện cuộc gọi video với người thân của mình, có thể tham gia một phiên họp trực tuyến, hoặc có thể chia sẻ những hình ảnh hoặc video của mình với bạn bè Tất cả những điều đó sẽ trở thành hiện thực, nếu chúng

ta có thể triển khai giao thức SIP trong mạng Ad-hoc

Từ những hiệu quả to lớn như vậy, em đã nghiên cứu và tìm hiểu về giao thức SIP, về mạng Adhoc, và các cách tiếp cận để giao thức SIP có thể hoạt động trong môi trường mạng Ad-hoc Em cũng sẽ trình bày về đánh giá chất lượng dịch vụ đa phương tiện (cụ thể là đánh giá chất lượng quá trình truyền video thời gian thực) qua mạng VANET Tất cả điều này được thực hiện trong đồ án:

" Giao thức SIP và các ứng dụng đa phương tiện liên quan qua mạng VANET"

Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thức quý báu từ các Thầy, Cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trong suốt thời gian học tập tại đây Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ của các Thầy Cô trong thời gian học tập này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới thầy Đỗ Trọng Tuấn - bộ môn Kỹ Thuật Thông Tin - Viện Điện Tử Viễn Thông - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người đã định hướng cho những nghiên cứu của em, người trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo em hoàn thành đồ án này

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, tới bố mẹ, chị gái đã là nền tảng,

là người luôn theo sát, chăm sóc động viên cho con trong suốt cuộc đời này Thành quả của con đạt được ngày hôm nay không thể thiếu công ơn sinh thành và dạy dỗ của gia đình

Hà Nội, năm 2013 Học viên thực hiện

Đào Mạnh Tuấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đề tài: Giao thức SIP và các ứng dụng đa phương tiện liên quan qua mạng

VANET

Người hướng dẫn: TS Đỗ Trọng Tuấn

Các đặc trưng của một mạng Ad-hoc nói chung và mạng VANET nói riêng: Không có hạ tầng cố định; Topo mạng thay đổi không thể dự đoán vì sự di chuyển của các nút; Các kết nối không dây có băng thông thấp, tỉ số lỗi cao và thiếu đồng bộ; Các nút có thể là các thiết bị cầm tay, giới hạn về khoảng vô tuyến và khả năng tính toán

Giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc được chia thành hai loại: định tuyến dựa trên topo mạng và định tuyến dựa trên thông tin vị trí Giao thức định tuyến dựa trên topo mạng được chia làm hai loại chính, định tuyến proactive và định tuyến reactive Giao thức proactive thường có chi phí cao và tốc độ hội tụ thấp Trong khi đó các giao thức reactive có thể gây ra hiện tượng “broadcast storm” do các luồng fooding và thường có trễ rất lớn

Trong mạng Ad-hoc, giao thức SIP được thực hiện theo hai cách tiếp cận, cách tiếp cận liên kết lỏng lẻo (LCA) và cách tiếp cận liên kết chặt (TCA) Cách tiếp cận liên kết lỏng lẻo thực hiện tương tự như cơ chế của giao thức định tuyến AODV Cách tiếp cận liên kết chặt tích hợp giao thức SIP với giao thức định tuyến dựa trên cluster

Luận văn gồm 5 phần:

Chương 1: Tổng quang

Trình bày các khái niệm về mô hình mạng và môi trường nghiên cứu

Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng VANET

Giới thiệu về khái niệm, chức năng của các giao thức định tuyến

Chương 3: Giao thức SIP trong mạng VANET

Trình bày cách thực hiện SIP trong mạng VANET

Chương 4: Ứng dụng đa phương tiện liên quang mạng VANET và mô phỏng

Kết luận và hướng nghiên cứu

Chương I: Tổng Quan

1.1 Các mô hình mạng không dây

1.1.1 Khái niệm về mạng không dây

Mạng không dây là một mạng được thiết lập bằng cách sử dụng tần số sóng

vô tuyến để truyền thông giữa các máy tính và các thiết bị mạng khác Mạng không dây được bắt đầu thử nghiệm từ năm 1894 do Guglielmo Marconi Cho tới năm

1899 Marconi đã thực hiện gửi một bức điện qua kênh đào Anh mà không sử dụng bất kỳ loại dây nào Đến tận bây giờ trải qua nhiều cải tiến về công nghê, mạng không dây đã thu hút được n h i ề u sự chú ý và phát triển ngày càng mạnh mẽ, trở nên rất quan trọng trong sự phát triển của loài người So với mạng có dây truyền thống, mạng không dây có những đặc trưng riêng:

 Không giống như sự cố định trong mạng có dây , sự gắn kết trong mạng không dây thay đổi liên tục dưới tác động của các yếu tố năng lượng, độ nhạy của thiết

bị thu, sự ảnh hưởng của môi trường nhiễu và fading

 Mạng di động có tỉ lệ lỗi cao và bị giới hạn về mặt băng thông cũng như năng lượng

 Các node có thể di chuyển ra khỏi mạng hoặc đi vào trong mạng làm cho mô hình mạng thay đổi, điều này ít khi xảy ra trong mạng có dây

 Tính ổn định trong chất lượng thu tín hiệu của mạng không dây là kém

hơn

Hình1.1: Mô hình mạng không dây

Do tính chất phụ thuộc vào các thiết bị hạ tầng cố định, mạng không dây có thể được chia thành hai mô hình chính:

 Mô hình mạng hạ tầng (Infrastructure-based network

 Mô hình mạng adhoc

1.1.2 Khái niệm về mạng adhoc

Ad hoc networks là điểm biên cuối cùng của thông tin không dây (thông tin vô tuyến) Công nghệ này cho phép các nodes (điểm nối) mạng truyền trực tiếp với nhau

sử dụng bộ thu phát không dây (wireless transceiver) mà không cần bất cứ một cơ sở

hạ tầng cố định nào Đây là một đặc tính riêng biệt của ad hoc network so với các mạng không dây truyền thống như các mạng chia ô (cellular networks) và mạng WLAN, trong đó các nodes (ví dụ như các thuê bao điện thoại di động) giao tiếp với nhau thông qua các trạm vô tuyến cơ sở (wired radio antennae)

Trong một mạng Ad-hoc các nút di chuyển tự do, đồng thời không có các AP

cố định kết nối với nhau tạo nên mạng xương sống nên topo mạng có thể bị thay đổi một cách nhanh chóng và ko thể dự đoán được Hơn nữa các nút trong mạng

Ad- hoc bị giới hạn phạm vi truyền (khoảng vô tuyến) làm cho một số nút ko thể giao tiếp trực tiếp với một nút khác Vì thế các nút mạng phải đóng vai trò như các router để tạo nên một mạng hoàn chỉnh

Ad hoc networks được mong đợi sẽ làm cách mạng hóa thông tin không dây trong một vài năm tới bằng việc bổ sung thêm vào các mô hình mạng truyền thống (như Internet, cellular networks, truyền thông vệ tinh – satellite communication) Mạng Ad hoc cũng có thể được xem như những bản sao công nghệ của những khái niệm máy tính thường gặp Bằng việc khám phá công nghệ mạng không dây Ad hoc, những thiết bị cầm tay đủ chủng loại (như điện thoại di động, PDAs, máy tính xách tay, máy nhắn tin “pager”… ) và các thiết bị cố định (như các trạm vô tuyến cơ sỡ, các điểm truy cập Internet không dây, … ) có thể được kết nối với nhau, tạo thành mạng toàn cầu, khắp mọi nơi

Trong tương lai, công nghệ mạng Ad hoc có thể sẽ là lựa chọn rất hữu ích Ví

dụ, hãy xem tình huống sau Một cơn động đất khủng khiếp đã tàn phá thành phố của chúng ta, trong đó có hầu hết các cơ sở hạ tầng viễn thông (như các đường điện thoại, trạm vô tuyến cơ sở …) Nhiều đội cứu hộ ( như lính cứu hỏa, cảnh sát, bác sĩ, các tình nguyện viên …) đang nỗ lực để cứu mọi người khỏi cơn động đất và chữa trị cho những người bị thương Để hỗ trợ tốt hơn cho đội cứu hộ, các hoạt động cứu hộ của họ phải được hợp tác với nhau Rõ ràng là 1 hoạt động hợp tác như thế chỉ đạt được thành quả khi đội cứu hộ có thể giao tiếp, thông tin với nhau, cả với đồng nghiệp của mình (

ví dụ 1 cảnh sát với 1 cảnh sát khác) và cả với thành viên của đội cứu hộ khác (ví dụ 1 lính cứu hỏa yêu cầu sự trợ giúp từ 1 bác sĩ)

Với những công nghệ hiện có, những nỗ lực của đội cứu hộ sẽ rất khó thành công khi những cơ sở hạ tầng viễn thông cố định bì tàn phá nặng nề Thậm chí những thành viên của đội cứu hộ này được trang bị máy vô tuyến cầm tay (walkie-talkie) hay các thiết bị tương tự khác trong trường hợp không thể truy cập được với các điểm cố định, chỉ những kết nối giữa những thành viên của đội cứu hộ đứng gần nhau mới thực hiện được Vì vậy, một trong những ưu tiên trong việc quản lý và không chế thảm họa

ngày nay là cài đặt lại các cơ sở hạ tầng viễn thông nhanh nhất có thể, bằng cách sửa chữa các thiết bị, kết cấu hư hỏng hay triển khai các thiết bị viễn thông tạm thời (ví dụ như vans được trang bị angten radio)

Khó khăn này có thể được giải quyết đáng kể nếu chúng ta áp dụng những công nghệ dựa vào mạng Ad hoc : bằng cách sử dụng các giao tiếp không dây phân tán giữa nhiều điểm truy cập khác nhau, thậm chí các đội cứu hộ ở cách xa nhau cũng có thể liên lạc với nhau hay liên lạc với các thành viên đội cứu hộ khác ở khoảng giữa như hoạt động của một trạm chuyển tiếp Vì khu vực xảy ra thảm họa sẽ tập trung nhiều đội cứu hộ, nên các liên lạc trong phạm vi thành phố (hay thậm chí là phạm vi cả nước) có thể thực hiện được, cho phép các nỗ lực cứu hộ được hợp tác thành công mà không cần thiết lập lại các cơ sở viễn thông cố định

Đặc điểm của mạng adhoc:

 Mỗi máy chủ không chỉ đóng vai trò là một hệ thống cuối cùng mà còn hoạt động như một hệ thống trung gian

 Mọi nút mạng đều có khả năng di động

 Topo mạng thay đổi theo thời gian

 Các nút di động sử dụng nguồn năng lượng pin có hạn

 Băng thông trong thông tin vô tuyến hẹp

 Chất lượng kênh luôn thay đổi

 Không có thực thể tập trung , nói cách khác là mạng phân bố

Hình 1.2: Mô hình mạng adhoc

Hai mô hình mạng Ad-hoc được đề xuất trong thời gian gần đây là :

 Mô hình mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network)

 Mô hình mạng VANET (Vehicular Ad- hoc Network)

1.1.3 Khái niệm về mạng hạ tầng

Trong mạng hạ tầng có các điểm truy cập AP (Access Point) cố định đóng

vai trò là các điểm truy cập cho các nút di động trong phạm vi phủ sóng của nó Các

AP được kết nối với nhau hình thành nên một xương sống (backbone) cho một mạng hạ tầng Một số ví dụ cho mạng này là mạng di động tế bào (cellular) và mạng

WLAN

có thể di chuyển tự do, thường hoạt động như một router

Mobile:

 Hình trạng mạng có thể thay đổi được

 Các nút mạng có thể di chuyển linh động

Adhoc:

 Hình trạng mạng được thiết lập tùy ý

 Không hạ tầng mạng, không server, không access point

Network:

 Tất cả các node mạng đều có chức năng và hoạt động như một router Hiện có rất nhiều ứng dụng được triển khai trong môi trường mạng adhoc như : ứng dụng trong mạng sensor (sensor network) - Phân bố các sensor trên một cánh đồng, một thành phố, để thu thập dữ liệu (nhiệt độ, thời tiết độ ẩm, ) gửi về trung

tâm, home network - người dùng có thể điều khiển các thiết bị trong nhà của mình khi đang di chuyển trên đường

Các đặc trưng của mạng MANET:

 Thiết bị tự trị đầu cuối (Automonous Teminal): Trong mạng MANET, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một nút tự trị Nó có thể mang chức năng của host

và router Bên cạnh khả năng xử lý cơ bản của một host, các nút di động này có thể chuyển đổi chức năng như một router Vì vậy thiết bị đầu cuối và chuyển mạch không thể phân biệt được trong mạng MANET

 Hoạt động phân tán (Distributed operation): Vì không có hạ tầng mạng cho việc kiểm soát hoạt động của mạng, nên việc kiểm soát và quản lý hoạt động của mạng được phân tán cho các thiết bị đầu cuối Các nút trong mạng MANET đòi hỏi phải có sự phối hợp với nhau Khi cần thiết các nút hoạt động như một relay để thự hiện chức năng của mình (như bảo mật và định tuyến)

 Định tuyến đa đường: Thuật toán định tuyến không dây cơ bản có thể định tuyến một chặng và nhiều chặng dựa vào các thuộc tính liên kết khác nhau và giao thức định tuyến Khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến một đích trong phạm vi của mạng, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều nút trung gian

 Cấu hình động (dynamic network topology): vì các nút là di động, nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh và không biết trước được đồng thời các kết nối giữa các nút mạng có thể thay đổi theo thời gian MANET sẽ thích ứng tuyến và điều kiện lan truyền Các nút di động trong mạng thiết lập định tuyến động với nhau trong khi chúng di chuyển, hình thành mạng riêng của trung trong một phạm vi không gian Hơn nữa, một nút mạng trong mạng MANET không chỉ hoạt động trong nội bộ mạng, mà còn có thể yêu cầu truy nhập vào một mạng cố địng công cộng (như mạng Internet)

 Dao động về dung lượng liên kết (Fluctuating link capacity): Bản chất

tỷ lệ lỗi bít cao của mạng không dây cần được quan tâm trong mạng MANET Truyền thông từ đầu cuối này tới đầu cuối kia có thể trải qua nhiều nút trung

gian Tín hiệu nhận được ở đầu cuối chịu ảnh hưởng của nhiễu, hiệu ứng đa đường, giao thoa khiến băng thông của nó thấp hơn so với mạng có dây Trong một vài trường hợp, kết nối giữa hai đầu cuối có thể qua nhiều liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất

 Tối ưu hóa cho thiết bị đầu cuối (light-weight terminals): Trong hầu hết các trường hợp, các nút trong mạng MANET là các thiết bị giới hạn về tốc độ xử

lý của CPU, về bộ nhớ cũng như về năng lượng Do đó, phải có các thuật toán và cơ chế tối ưu với tài nguyên của mạng

1.1.5 Tìm hiểu về mạng VANET

VANET thoạt nghe rất giống với MANET (Mobile Ad Hoc Network) VANET cũng là một người anh em của MANET và đang hướng hẹn sẽ gặt hái được nhiều thành công

VANET là mạng trong đó các xe (vehicule) sẽ được trang bị thiết bị thu/phát, chúng sẽ trở thành các node như trong mạng ad-hoc Các xe sẽ liên lạc với nhau (Car-to-Car Communication, hay M2M (machine-to-machine communication) để chia sẽ thông tin lẫn nhau Thông tin về traffic, về tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, nguy hiểm cần tránh Một chiếc xe cũng có thể trở thành một relay node để chuyển tải thông tin cho xe khác, v.v

Mạng VANET (Vehicular Ad-Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các xe

di chuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động VANET biến mỗi xe tham gia giao thông thành một router hay một nút không dây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100 tới 300 mét,

từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng Do các xe có thể đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể tham gia, kết nối với các phương tiện khác nên một mạng Internet di động được tạo nên Trong thực tế,

hệ thống đầu tiên được tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu hỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm bảo

an ninh trật tự

Dịch vụ trên mô hình mạng này ngày càng nhiều, nhất là nó liên quan đến hệ thống định vị GPS, liên quan đến nganhg giao thông công chánh để quản lý và điều hành giao thông, liên quan đến lĩnh vực cảnh sát giao thông, liên quan đến ngành dự báo thời tiết, và dĩ nhiên là đem lại một khía cạnh mới cho những công ty sản xuất ôtô để ngày càng hướng đến những chiếc xe intelligent

Hình 1.4: Mô hình mạng VANET

Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thường như dịch vụ đa phương tiện, Internet…

Mục đích chính của VANET là cung cấp sự an toàn và thoải mái cho hành khách Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Ad-hoc cho các hành khác Mạng này hướng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng cho phép các liên lạc đơn giản Mỗi thiết bị hoạt động trong mạng VANET sẽ là một nút trong mạng có thể trực tiếp gửi nhận hoặc làm trung gian trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây Xét trường hợp xảy ra va chạm giữa các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được gửi đi thông qua mạng VANET tới các phương tiện tham gia giao thông, cùng với các công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải quyết xự cố, đảm bảo

an toàn cho các phương tiện khác Người tham gia giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng VANET, thậm chí có thể sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như trao đổi hình ảnh, video, gọi điện video Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương tiện tham gia giao thông có thể tự động thanh toán các cước phí như phí gửi xe, phí cầu đường…

VANET cũng tương đối giống MANET nhưng về chi tiết thì khác nhau, như tốc độ di chuyển của các nút nhanh hơn, nhưng định hướng di chuyển theo một mô hình (như về phương, hướng…) Sự tương tác với các thiết bị bên đường tương đối chính xác, và các phương tiện xe cộ bị hạn chế trong một vùng di chuyển ví dụ như các xe tải đường dài chạy trên đường cao tốc

Hình 1.5: Ví dụ về việc thông báo nguy hiểm do một xe đột nhiên bị tai nạn

VANET là mạng có những đặc tính riêng, cơ bản nhất là nó chả yêu cầu cơ sở

hạ tầng như các hệ thống vô tuyến khác: không cần Base Station như những hệ thống

di động khác(GSM, CDMA, 3G); chả cần bộ Access Point để hỗ trợ cho Wifi hay Wimax

Về yếu tố khoảng cách, VANET có thể khắc phục được giới hạn của truyền dẫn sóng

Tuy nhiên, do giao tiếp mà không cần cơ sở hạ tầng, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên rất nhiều khả năng bị 'nghe trộm' hoặc là thông tin truyền đi có thể bị sai lệch

Trong mạng, việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh đúng tình hình giao thông hoặc các sự cố trên giao lộ) nhưng cũng có thể gây ra những tác động nguy hiểm khôn lường(nếu như thông tin do 1 xe truyền đi là không chính xác hoặc là bị sai lệch) Sở dĩ như vậy vì khi thiết kế mạng này, thường thì các thông tin sẽ

được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút , gây ra ảnh hưởng kiểu như

Phiên bản Linux đầu tiên do Linus Torvalds viết vào năm 1991, lúc ông còn là một sinh viên của Đại học Helsinki tại Phần Lan Ông làm việc một cách hăng say trong vòng 3 năm liên tục và cho ra đời phiên bản Linux 1.0 vào năm 1994 Bộ phận chủ yếu này được phát triển và tung ra trên thị trường dưới bản quyền GNU General Public License Do đó mà bất cứ ai cũng có thể tải và xem mã nguồn của Linux

Một cách chính xác, thuật ngữ "Linux" được sử dụng để chỉ Nhân Linux, nhưng tên này được sử dụng một cách rộng rãi để miêu tả tổng thể một hệ điều hành giống Unix (còn được biết đến dưới tên GNU/Linux) được tạo ra bởi việc đóng gói nhân Linux cùng với các thư viện và công cụGNU, cũng như là các bản phân phối Linux Thực tế thì đó là tập hợp một số lượng lớn các phần mềm như máy chủ web, các ngôn ngữ lập trình, các hệ quản trị cơ sở dữ liệu, các môi trường làm việc desktop như GNOME và KDE, và các ứng dụng thích hợp cho công việc văn phòng nhưOpenOfficehay LibreOffice

Khởi đầu, Linux được phát triển cho dòng vi xử lý 386, hiện tại hệ điều hành này hỗ trợ một số lượng lớn các kiến trúc vi xử lý, và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau từ máy tính cá nhân cho tới các siêu máy tính và các thiết bị nhúng như là các máy điện thoại di động

Ban đầu, Linux được phát triển và sử dụng bởi những người say mê Tuy nhiên, hiện nay Linux đã có được sự hỗ trợ bởi các công ty lớn nhưIBM và Hewlett-Packard, đồng thời nó cũng bắt kịp được các phiên bản Unix độc quyền và thậm chí là một thách thức đối với sự thống trị của Microsoft Windows trong một số lĩnh vực Sở dĩ Linux đạt được những thành công một cách nhanh chóng là nhờ vào các đặc tính nổi

bật so với các hệ thống khác: chi phí phần cứng thấp, tốc độ cao (khi so sánh với các phiên bản Unix độc quyền) và khả năng bảo mật tốt, độ tin cậy cao (khi so sánh với Windows) cũng như là các đặc điểm về giá thành rẻ, không bị phụ thuộc vào nhà cung cấp Một đặc tính nổi trội của nó là được phát triển bởi một mô hình phát triển phần mềm nguồn mở hiệu quả

Tuy nhiên, hiện tại số lượng phần cứng được hỗ trợ bởi Linux vẫn còn rất khiêm tốn so với Windows vì các trình điều khiển thiết bị tương thích với Windows nhiều hơn là Linux Nhưng trong tương lai số lượng phần cứng được hỗ trợ cho Linux

sẽ tăng lên

Linux về mặt nguyên tắc hệ điều hành cũng là một software; nhưng đây là một software đặc biệt – được dùng để quản lý, điều phối các tài nguyên (resource) của hệ thống (bao gồm cả hardware và các software khác) Linux còn được gọi là Open Source Unix (OSU), Unix-like Kernel, clone of the UNIX operating system

1.2.2 Công cụ mô phỏng NS-3

Ns-3 là một phần mềm mô phỏng mạng các sự kiện rời rạc mà trong đó lõi và các mô hình mô phỏng được thực hiện trong C++ Ns-3 xây dựng một thư viện có thể

là tĩnh hoặc động liên kết với một chương trình chính của C++, định nghĩa các cấu trúc

mô phỏng và bắt đầu mô phỏng Ns-3 cũng đưa ra hầu như tất cả các API của nó cho Python, cho phép các chương trình Python sử dụng một module Ns-3 tương tự như được sử dụng trong C++

Ns-3 được thiết kế nhằm mục đích hỗ trợ các phương pháp định tuyến và các giao thức truyền thống, các cổng hỗ trợ thực thi các định tuyến trên mã nguồn mở và tạo điều kiện để nghiên cứu các kỹ thuật định tuyến không chính thống Một số vấn

đề về định tuyến trong ns-3: Kiến trúc định tuyến, cấu hình các định tuyến toàn cục đối với cấu trúc mạng có dây, các giao thức định tuyến đơn, định tuyến đa luồng

Ns-3 ra đời nhằm đáp ứng sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ mạng, sự xuất hiện của công nghệ không dây, trong đó bao gồm hỗ trợ tính di động và multihoming Hiện nay, NS-3 đáp ứng được các yêu cầu của một công cụ mô phỏng

cơ bản Tuy nhiên NS-3 chỉ tập trung vào IPv4, trong khi IPv6 đang được triển khai trên mạng Internet và chắc chắn sẽ là giao thức được sử dụng trên Internet trong năm mươi năm tới, và vì thế bất kỳ một công cụ mô phỏng mạng nào cũng nên hỗ trợ cho IPv6 Hầu hết các phát triển trong tương lai của các giao thức cho Internet sẽ hỗ trợ IPv6

Một vài điểm lưu ý về NS-3 như sau:

 NS-3 không phải là một phần mở rộng của NS-2, nó là một công cụ mô phỏng mới, cả hai công cụ mô phỏng này đều được viết bằng C++, nhưng NS-3 là một công cụ mô phỏng mới không hỗ trợ NS-2 APLs Một số mô hình NS-2 đã được chuyển từ NS-2 sang NS-3

 NS-3 là mã nguồn mở, dự án này sẽ duy trì và tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu, đóng góp và chia sẻ phần mềm của họ

Các chức năng của NS-3:

 Cấp phép mã nguồn mở (GNU GPLv2) và mô hình phát triển

 Các tập lệnh Pythons hay các chương trình C++

 Được liên kết với các hệ thống thực tế (ổ cắm, giao diện điều khiển thiết bị)

 Liên kết với các chuẩn đầu vào/đầu ra

 Thử nghiệm hội nhập là một ưu tiên

 Modul , tài liệu cốt lõi

Các mô hình NS-3

Bảng 1.1: so sánh các lớp của NS2 và NS3 1.3 Tổng kết

Trên đây là những đặc điểm về mạng không dây nói chung và mạng VANET nói riêng, mạng VANET là mô hình mạng rất mới vẫn còn phải nghiên cứu nhiều để đạt được một chuẩn mạng kết nối các phương tiện giao thông Một trong những vấn đề đã và đang thu hút được rất nhiều sự quan tâm là giao thức định tuyến Định tuyến trong mạng VANET nói riêng và mạng Ad-hoc nói chung thật

sự là những thách thức lớn do đặc trưng riêng của chúng Chương kế tiếp sẽ trình bày về các giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc, có thể đã được ứng dụng thực tế cũng như vẫn đang được nghiên cứu triển khai

Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng VANET

Giao thức định tuyến là một điều không thể thiếu đối với bất kỳ mô hình mạng nào trong đó có mạng VANET Không có giao thức định tuyến, các ứng dụng dù hay thế nào cũng không thể kết nối được tất cả các nút mạng với nhau cũng như truyền tải thông tin từ một nút tới nút khác Giao thức định tuyến là phần mềm chạy với chức năng của tầng mạng, tầng giao vận trong mô hình TCP/IP Giao thức định tuyến thực hiện việc trao đổi các gói tin giữa các nút trong mạng với nhau hoặc với các AP nhằm biết được thông tin các nút mạng tham gia Từ đó, giao thức định tuyến sẽ quyết định đường đi của các kết nối Nội dung của chương sẽ giới thiệu về giao thức định tuyến, chức năng, phân loại đồng thời giới thiệu về môt số giao thức định tuyến điển hình trong mạng VANET qua đó sẽ lựa chọn giao thức

định tuyến thích hợp để triển khai trong mạng VANET

2.1 Giới thiệu về giao thức định tuyến

2.1.1 Chức năng của định tuyến

Định tuyến là quá trình chuyển một gói dữ liệu giữa những mạng hoặc mạng con sử dụng thiết bị lớp L3 Tiến trình định tuyến được thực hiện thông qua bảng định tuyến, các giao thức và thuật toán để định ra con đường đi tốt nhất để dẫn dữ liệu

Định tuyến là quá trình chỉ ra hướng, sự di chuyển của một gói dữ liệu từ mạng nguồn của chúng, hướng tới đích cuối của chúng thông qua các nút trung gian; thiết bị chuyên dùng được gọi là router

Trong mạng Ad-hoc mặc định chúng ta chạy ở chế độ IEEE Ad-hoc, việc kết nối trực tiếp giữa các thiết bị sẽ không gặp khó khăn gì, tuy nhiên để mạng có thể hoạt động được thì tất cả các thiết bị phải được kết nối với nhau

Hình 2.1: So sánh chế đọ IEEE Adhoc và giao thức định tuyến

Vấn đề sẽ nảy sinh khi gần gửi tin từ một nút nguồn tới một nút đích mà hai nút đó không kết nối trực tiếp với nhau, chỉ kết nối thông qua một hoặc nhiều nút trung gian Chuẩn IEEE Ad-hoc không hỗ trợ việc kết nối đa chặng như vậy, nhưng có thể thực hiện được nếu kết hợp với giao thức định tuyến Hình 2.1 thể hiện

sự khác nhau giữa chế độ IEEE Ad-hoc với việc kết hợp thêm phần mềm định tuyến Khi các thiết bị được tích hợp phần mềm định tuyến, thông qua việc trao đổi các gói tin định tuyến mỗi nút mạng sẽ biết thông tin về các nút mạng khác Thông tin định tuyến có thể là vị trí các nút, chất lượng đường truyền, khả năng của các nút… tùy theo từng giao thức định tuyến Chức năng quan trọng nhất của giao thức định tuyến là thiết lập và duy trì được các kết nối đa chặng, nhờ đó tất cả các nút mạng mới có thể kết nối được với nhau

Kiến trúc định đuyến của mạng tự tổ chức có thể là phân tầng hoặc phẳng Trong mạng tự tổ chức phẳng, quản lý tính di động là rất cần thiết vì tất cả các nút có thể nhận thấy từ các nút khác qua các giao thức định tuyến Trong thuật toán định tuyến phẳng như DSDV và WRP, bảng định tuyến có các cổng tới tất cả các trạm trong mạng Tuy nhiên tính mở rộng của các thuật toán định tuyến phẳng không tốt Mào đầu định tuyến tăng nhanh khi mạng trở lên lớn hơn Vì thế một số dạng sơ đồ

phân tầng được triển khai để tái sử dụng kênh điều khiển về mặt không gian và giảm mào đầu thông tin định tuyến Gộp nhóm là kĩ thuật phổ biến nhất Định tuyến phân

tầng bao gồm việc quản lí nhóm, quản lí địa chỉ, và quản lí tính di động

2.1.2 Yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc

Độ kết nối của một cấu hình là một trong các yêu cầu quan trọng nhất của bất cứ giao thức xây dựng cấu hình nào Một cách để phát hiện kết nối là đảm bảo rằng tìm thấy tuyến từ một nút tới mọi nút khác trong mạng Đây là mục tiêu chính của hàm định tuyến: xây dựng bảng định tuyến để định tuyến gói tin từ một nút tới tất cả các đích có thể Khi tất cả các nút được kể ra trên bảng định tuyến nghĩa là chúng có thể liên lạc được và khoảng phát không cần phải điều chỉnh Đây là ý tưởng chính của các kỹ thuật dựa vào định tuyến Giao thức xây dựng cấu hình công suất chung (COMPOW) được biết đến một cách rộng rãi là một giao thức xây dựng theo kỹ thuật này

Trong mạng Ad-hoc, mọi nút mạng đều có khả năng di chuyển nên sẽ không

có một nút mạng nào cố định để thực hiện chức năng điều khiển trung tâm Do đó, vấn đề được quan tâm đặc biệt là làm thế nào để các nút mạng “bắt tay nhau” và duy trì được quá trình truyền thông mà không lãng phí tài nguyên mạng Đã có nhiều

đề xuất và giải pháp định tuyến được đưa ra cho mạng ad-hoc Các giao thức đó đều tập trung vào giải quyết những hạn chế đặc biệt của mạng này (như đã trình bày trong chương 1), đó là vấn đề về băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán của thiết bị thấp

Một số yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc:

 Hoạt động phân tán: Giao thức cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc vào nút mạng điều khiển tập trung

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

 Hoạt động dựa trên yêu cầu: Mục đích chính để tối thiểu hóa phần thông tin điều khiển trong mạng, giao thức định tuyến chỉ tìm đường khi cần thiết

và không quảng bá liên tục

 Hỗ trợ các liên kết một chiều: Kết hợp với các liên kết hai chiều làm tăng chất lượng hoạt động của giao thức định tuyến

 Bảo mật: Sử dụng các phương pháp bảo mật cho mạng không dây để đảm bảo an toàn thông tin trong quá trình truyền dẫn

 Bảo toàn năng lượng: Các thiết bị trong mạng Ad-hoc thường sử dụng pin rất giới hạn về mặt năng lượng, nên cần có chế độ chờ (standby) để tiết kiệm năng lượng

 Nhiều đường định tuyến: Nhằm giảm sự tác động do thay đổi về topo mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn Một đường định tuyến có sẵn sẽ giúp cho việc kết nối trở lại mà không cần phải định tuyến tìm đường khác

 Hỗ trợ QoS: Có nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao thức định tuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng, chẳng hạn sự hỗ trợ thời gian thực…

2.1.3 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Adhoc

Giao thức định tuyến trong mạng Adhoc có thể được chia thành các loại sau

Định tuyến dựa trên tôp mạng (topology-based): các gói dữ liệu được định

tuyến bằng cách sử dụng thông tin topo của mạng Dựa trên thông tin về topo mạng, người ta chia thành các loại

o Proactive: duy trì các tuyến trước khi bất kỳ luồng dữ liệu nào được gửi, như giao thức DSDV, OSPF, OLSR

o Reactive: Thực hiện việc tìm đường chỉ khi một kết nối được thiết lập, như giao thức DSR, AODV

o Hybrid: phối hợp định tuyến proactive khu vực và định tuyến reactive toàn bộ để tăng phạm vi như được đề xuất trong giao thức ZRP, TORA

Định tuyến dựa trên vị trí (position-based): các gói dữ liệu được định tuyến

theo vị trí địa lý của các bên giao tiếp Thông tin vị trí này được tạo bởi dịch vụ định

vị (location service)

Hình 2.2: Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Adhoc

a Định nghĩa giao thức định tuyến proactive

Giao thức định tuyến proactive là giao thức hoạt động dựa theo bảng định tuyến, trong đó các nút sẽ duy trì một bảng định tuyến để biết thông tin về các nút còn lại, do đó các nút sẽ biết được kiến trúc tổng thể của mạng Các giao thức định

tuyến proactive sử dụng phương pháp tràn lụt (flooding) để quảng bá thông tin tới

các thiết bị Phương pháp này cho phép thời gian thiết lập đường nhanh dựa trên các tham số gửi tới thiết bị sẵn sàng cho kết nối Tuy nhiên, việc lưu lượng thông tin tiêu đề tăng lên chính là nhược điểm của phương pháp này Định tuyến proactive được chia làm hai loại chính là Link State và Distance Vector Giao thức định tuyến liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-Sequenced Distance- Vector Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến proactive

b Giao thức định tuyến reactive

Giao thức định tuyến reactive là gioa thức định tuyến dựa theo yêu cầu, tức

là đường đi chỉ được xác định khi các nút có nhu cầu truyền gói tin Phương pháp này hạn chế được thông tin tiêu đề chọn đường, nhưng nhược điểm cơ bản là gây trễ lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như thời gian chọn đường dẫn chậm, Hai giao thức reactive điển hình là gioa thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (On-demand Distance Vector Routing) và giao thwucs định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing)

Một khi xảy ra lỗi tạo nút, các giao thức định tuyến thường khôi phục đường dẫn bằng phương pháp thiết kế lập tuyến mới Hầu hết các tiếp cận hiện nay đều

sử dụng thông tin phản hồi tới các thiết bị nguồn nhằm khởi tạo tuyến mới, vì vậy lưu lượng bản tin trao đổi là rất lớn và tăng lên rất nhanh khi kích thước mạng lớn, nhất là đối với các giao thức định tuyến proactive Khi kích thước mạng tăng lên cũng đồng nghĩa với sự suy giảm hiệu năng mạng do hiện tượng trễ của thủ tục định tuyến và truyền khung đầu tiên tăng lên rất lớn nếu sử dụng giao thức định tuyến reactive

c Giao thức định tuyến Hybrid

Giao thức Hyprid là giao thức lai giữa hai loại giao thức trên, tiêu biểu là hai giao thức ZRP (Zone Routing Protocol) và TORA (Temporally Ordered Routing Alogrithm) Vì là giao thức lai giữa hai loại giao thức trên nên những giao thức thuộc loại Hybrid có thể khắc phục những nhược điểm của hai loại giao thức trên

d Giao thức định tuyến dựa theo vị trí

Khi sử dụng các giao thức định tuyến dựa trên topo, chi phí truyền thông phụ thuộc vào tốc độ thay đổi của cấu trúc mạng Trong một mạng VANET gồm phần lớn các nút mạng di chuyển với tốc độ nhanh, tốc độ thay đổi topo mạng thường cao, dẫn tới chi phí truyền thông lớn để đảm bảo thông tin định tuyến ở các nút mạng luôn được cập nhật

Trái với giao thức định tuyến dựa trên topo mạng, các nút mạng có thể tự xác định vị trí của nó cũng như vị trí của các nút khác trong mạng khi chúng sử dụng giao thức định tuyến dựa trên vị trí Công việc này được thực hiện bởi dịch vụ

định vị (positioning service) Có thể kể ra một vài dịch vụ định vị dựa vào vệ tinh

như GPS (Mỹ), GLONASS (Nga) hay Galileo (châu Âu), trong đó trễ lan truyền tín hiệu của các sóng vệ tinh được sử dụng để tín các vị trí tuyệt đối với độ chính xác cỡ mét Bên cạnh đó có những dịch vụ định vị không yêu cầu cơ sở hạ tầng Ví dụ của

loại này là thuật toán tự định vị SPA (Self-Positioning Algorithm) tính toán khoảng

cách giữa các nút sử dụng trễ lan truyền của tín hiệu vô tuyến Sau đó SPA sẽ thiết lập một hệ tọa độ mang tương ứng dựa trên các thông tin về khoảng cách Để xác định vị trí của các nút khác trong mạng, một nút có thể sử dụng dịch vụ định vị này

Ý tưởng cơ bản của định tuyến dựa trên vị trí là truyền gói dữ liệu tới vị trí

đã biết trước của nút mục tiêu Nếu thông tin vị trí đủ chính xác, nút mục tiêu sẽ nằm trong vị trí của khoảng vô tuyến tại vị trí biết trước đó và nhận được gói dữ liệu Các quyết định định tuyến vị trí dựa trên vị trí của mục tiêu, từ chính vị trí của nút chuyển tiếp và vị trí của các nút hàng xóm của nó Một vài ví dụ của giao thức

định tuyến dựa trên vị trí là giao thức GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)

và giao thức GPCR (Greedy Perimeter Coordinate Routing)

2.2 Giao thức định tuyến DSDV

DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector) là một biến thể của giao

thức định tuyến distance vector theo kiểu proactive, dựa trên ý tưởng của thuật toán định tuyến kinh điển Bell-man-Ford với một chút cải tiến

Cải tiến mới của DSDV là sử dụng kỹ thuật đánh số 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, do đó sẽ tránh được vòng lặp trong quá trình định tuyến Mỗi nút sẽ tăng số sequence number khi gởi thông tin về bảng định tuyến của nó cho các nút khác trong mạng Các cơ chế trong DSDV:

 Số sequence number của nút đích

Để đảm bảo cho bảng định tuyến luôn phù hợp với những thay đổi trong mạng thì các nút phải thường xuyên cập nhật bảng định tuyến theo một khoảng thời gian nhất định hoặc khi mạng có sự thay đổi Do đó, các nút phải quảng bá thông tin định tuyến của nó cho các nút khác trong mạng bằng cách phát quảng bá những thay đổi trong bảng định tuyến của nó Khi một nút nhận gói tin cập nhật bảng định tuyến, nó sẽ kiểm tra số sequence number của gói tin cập nhật, nếu số sequence number trong gói tin cập nhật lớn hơn hoặc bằng với số sequence number trong bảng định tuyến và có số hop-count nhỏ hơn thì nút đó sẽ cập nhật thông tin đó vào bảng định tuyến

b Phương thức cập nhật bảng định tuyến

Bảng định tuyến có thể cập nhật theo hai cách:

 Cập nhật toàn bộ bảng định tuyến cho các nút hàng xóm và có thể truyền trong nhiều packet, gọi là full-dump

 Cập nhật các phần thay đổi trong bảng định tuyến của nó cho các nút láng giềng và các thông tin thay đổi đó chỉ được gởi đi trong một gói Cách cập nhật này gọi là incremental- update

Đối với một mạng Ad-hoc tương đối ổn định, thì kiểu cập nhật incremental- update sẽ thường được sử dụng để hạn chế lưu lượng truyền trên mạng Trong khi đó, full-dump sẽ được sử dụng trong mạng ít có sự ổn định

c Quản lý sự thay đổi của topology

Khi một nút di chuyển từ nơi này đến nơi khác thì các liên kết của nó với các nút hàng xóm có thể không còn hiệu lực Khi nút phát hiện rằng liên kết đến next-hop của nó không còn tồn tại, thì đường đi thông qua next-hop đó lập tức sẽ có hop- count là ∞ và số sequence number được tăng lên 1 Sau đó nút sẽ phát quảng bá thông tin đó cho tất cả các nút trong mạng và các nút sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của mình

2.3 Giao thức định tuyến DSR

DSR (Dynamic Source Routing) là giao thức định tuyến đơn giản và hiệu

quả được thiết kế riêng cho mạng MANET DSR cho phép mạng tự động tổ chức và cấu hình mà không cần đến sự quản trị hoặc cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng

Giao thức định tuyến DSR bao gồm hai cơ chế cơ bản: Route Discovery

và Route Maintenance, nhờ hai cơ chế này mà các nút có thể tìm và duy trì được

các đường đi đến các nút trong mạng

Một đặc tính nổi bật khác của DSR là nó sử dụng kỹ thuật định tuyến

source routing, khi đó bên gởi sẽ biết toàn bộ thông tin đường đi đến đích, điều

này giúp cho việc định tuyến trên mạng không bị hiện tượng vòng lặp (loop) làm tăng hiệu năng của mạng Để định tuyến được thì trong tiêu đề của gói lưu giữ thêm

thông tin về source route Thông tin về bảng định tuyến được lưu trong route cache

Khi một nút trong mạng Ad-hoc muốn gởi dữ liệu đến một nút đích nó sẽ tìm kiếm thông tin trong route cache nếu chưa có thông tin về đường đi thì nút nguồn sẽ khởi

động tiến trình route discovery để tìm kiếm con đường đi đến đích

a Cơ chế route discovery

Route Discovery cho phép các host trong mạng Ad hoc tìm kiếm đường đi đến đích một cách tự động thông qua các nút trung gian Tiến trình route discovery

sẽ phát quảng bá gói route request (RREQ) lên mạng

Ngoài các trường bình thường, Thông tin trong packet RREQ còn chứa một

số request ID_ là một số được tạo ra bởi nút nguồn và là số không trùng nhau Khi một nút nhận gói RREQ thì nó sẽ tiến hành kiểm tra thông tin trong RREQ như sau:

 Nó kiểm tra xem đây có phải là lần đầu tiên nó nhận gói RREQ có địa chỉ đích và số request ID_ hay không? nếu không phải thì nó sẽ loại bỏ gói tin này

và không xử lý Ngược lại thì qua bước 2

 Nó kiểm tra trong trường source route của gói RREQ đã có địa chỉ của

nó hay chưa? nếu đã tồn tại thì nó cũng sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử lý gì thêm Ngược lại thì qua bước 3

 Nó kiểm trong route cache của nó có đường đi đến nút đích mà còn hiệu lực hay không? nếu có đường đi đến đích thì nó sẽ phản hồi lại cho nút nguồn

bằng gói route reply (RREP) chứa thông tin về đường đi đến đích và kết thúc tiến

trình Ngược lại qua bước 4

 Nó kiểm tra địa chỉ đích cần tìm có trùng với địa chỉ của nó hay không?

nếu trùng thì nó cũng sẽ gởi lại cho nút nguồn gói route reply (RREP) chứa thông tin

về đường đi đến đích và kết thúc tiến trình Ngược lại thì nó sẽ phát broadcast đến các nút láng giềng của nó

Quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi nút nguồn nhận được thông tin về

đường đi đến đích hoặc thông tin rằng không thể định tuyến đến đích Gói route reply (RREP) được gởi đến nút nguồn bằng cơ chế phát unicast với source route là

đảo ngược source route trong gói RREQ

Trong quá trình route discovery, thì các nút sẽ học các con đường đi đến các nút khác và lưu trong route cache của mình:

o Khi nút nguồn tìm kiếm được nút đi đến nút đích thì nó cũng sẽ biết được đường đi đến các nút trung gian

o Trong quá trình phát broadcast gói RREQ, các nút trung gian cũng sẽ biết được con đường đi đến nút nguồn

o Trong quá trình forward gói RREP thì các nút trung gian biết được đường đi đến nút đích

b Cơ chế route maintenance

Trong giao thức định tuyến DSR, các nút khi chuyển gói tin trên mạng đều phải có nhiệm vụ xác nhận rằng gói tin đó đã chuyển đến next hop hay chưa? Trong một trường hợp nào đó mà nút đó phát hiện rằng gói tin không thể truyền đến next

hop Nó sẽ gởi gói Route Error (RERR) cho nút nguồn để thông báo tình trạng hiện

thời của liên kết và địa chỉ của next hop mà không thể chuyển đi Khi nút nguồn

nhận được gói RERR, nó sẽ xóa con đường đi mà sử dụng liên kết bị hỏng trong

route cache và tìm một đường đi khác mà nó biết trong route cache hoặc sẽ khởi

động một tiến trình route discovery mới nếu đường đi này đang có nhu cầu sử dụng

2.4 Giao thức định tuyến AODV

AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) là sự kết hợp giữa hai giao

thức định tuyến DSDV và DSR Cũng giống như DSR, trong giao thức định tuyến AODV, các nút chỉ tìm kiếm và duy trì thông tin định tuyến khi các nút có nhu cầu trao đổi dữ liệu

AODV vẫn sử dụng cơ chế tìm đường như trong DSR là sử dụng tiến trình route discovery Tuy nhiên, AODV còn sử dụng nhiều cơ chế khác để duy trì thông tin bảng định tuyến Nó sử dụng bảng định tuyến truyền thống để lưu trữ thông tin định tuyến với mỗi entry cho một địa chỉ đích Điều đó trái ngược với giao thức DSR, có thể duy trì nhiều entry cho một địa chỉ đích

Không sử dụng source route và chỉ cần biết thông tin về các nút láng giềng

của nó, AODV dựa trên các entry của bảng định tuyến để phát gói RREP về cho

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 khái niệm

destination sequence number của giao thức định tuyến DSDV 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 Các cơ chế chính của AODV:

a Cơ chế routing discovery

Mỗi nút luôn có hai bộ đếm (counter): bộ đếm số sequence number và bộ đếm broadcast ID Số sequence number được tăng lên trong các trường hợp:

 Trước khi một nút khởi động tiến trình route discovery, điều này chống

sự xung đột với các gói RREP trước đó

 Trước khi một nút đích gởi gói RREP trả lời gói RREQ, nó sẽ cập nhật lại giá trị sequence number lớn nhất của số sequence number hiện hành mà nó lưu giữ với số sequence number trong gói RREQ

 Khi có một sự thay đổi trong mạng cục bộ của nó (mạng cục bộ là các nút láng giềng)

Số Broadcast ID được tăng lên khi nút khởi động một tiến trình route discovery mới

Tiến trình Route Discovery được khởi động khi nào một nút muốn trao đổi

dữ liệu với một nút khác mà trong bảng định tuyến của nó không có thông tin

định tuyến đến nút đích đó Khi đó tiến trình sẽ phát broadcast một gói RREQ cho

các nút láng giềng của nó Thông tin trong RREQ ngoài địa chỉ đích, địa chỉ nguồn,

số hop count, Còn có các trường: số sequence number của nút nguồn, số

broadcast ID, số sequence number của nút đích Cặp thông tin <địa chỉ nguồn, số broadcast ID > là số định danh duy nhất cho một gói RREQ Khi nút hàng xóm nhận

được gói thì nó sẽ kiểm tra tuần tự theo các bước:

1 Xem gói RREQ đã được xử lý trước đó hay 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

2 Nếu trong bảng định tuyến của nó có 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 hớn số sequence 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