Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet

MỞ ĐẦUMặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng MANET Mobile Ad hoc Network có từ những năm 70 của thế kỷ XX khi nghiên cứu về công nghệ Mobile PacketRadio, hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề về

Phạm Văn Cường

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN THEO THIẾT

KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2019

Phạm Văn Cường

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN THEO THIẾT

KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng cho mạng MANET” tôi đã nhận được

sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệthông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên để hoàn thành luận văn này.Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu,phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ thông tin, các thầy giáo, cô giáo thuộc TrườngĐại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã thamgia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy PGS TS Nguyễn Văn Tam -người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp đểtôi hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã độngviên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song cóthể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đónggóp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đượchoàn thiện

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2019

Học viên

Phạm Văn Cường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG 4

1.1 Giới thiệu về mạng MANET 4

1.1.1 Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET 4

1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET 6

1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET 7

1.2 Một số công nghệ của mạng MANET 11

1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11 11

1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth 12

1.2.3 Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b 14

1.2.4 Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b 16

1.2.6 Mạng ad-hoc Bluetooth 21

1.3 Định tuyến trong mạng MANET 23

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến trong mạng MANET 23 1.3.2 Giao thức định tuyến AODV 24

1.4 Kết luận Chương 1 33

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET 36

2.1 Tổng quan về thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng 36

2.2 Phương pháp tối ưu hóa năng lượng trên cơ sở cường độ tín hiệu nhận.38 2.2.1 Cơ chế hội thoại năng lượng 39

2.2.2 Loại bỏ các liên kết một chiều 41

2.2.3 Khám phá đường tin cậy 44

2.3 Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến 46

2.3.1 Khởi tạo mạng 47

2.3.2 Đăng ký mạng 52

2.4 Phương pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lượng liên kết 55

2.4.1 Thuật toán chuyển tiếp RREQ 56

2.4.2 Định tuyến đầu cuối có nhận biết chất lượng liên kết 59

2.5 Tổng kết chương 2 62

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET 64

3.1 Kiến trúc xuyên tầng trong giao thức CLPC 64

3.2 Điều khiển động năng lượng truyền 66

3.2 Tiến trình tìm đường 68

3.3 Tiến trình tìm lại đường 71

3.4 Phân tích và đánh giá hiệu năng của giao thức CLPC 73

3.4.1 Các độ đo hiệu năng 73

3.4.2 Cấu hình mô phỏng 73

3.4.3 Phân tích hiệu năng theo tốc độ di chuyển của nút mạng 74

3.4.4 Phân tích hiệu năng theo kích cỡ mạng 80

3.5 Kết luận Chương 3 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

MỞ ĐẦU

Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng MANET (Mobile Ad hoc Network)

có từ những năm 70 của thế kỷ XX khi nghiên cứu về công nghệ Mobile PacketRadio, hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề về mạng MANET dành được sự quantâm của cộng đồng nghiên cứu như: bài toán định tuyến, tối ưu hóa tầng vật lý

và tầng MAC, khả năng tự cấu hình, các vấn đề về an ninh, các ứng dụng và dịch

vụ mới cho mạng ad hoc cùng kiến trúc của chúng …

Một mạng MANET làm việc trên nguyên lý quảng bá theo từng chặng từmột nút nguồn tới các nút láng giềng nằm trong phạm vi truyền thông của nó.Các vấn đề liên quan tới năng lượng truyền thông là những vấn đề phổ biến ảnhhưởng tới chức năng của mạng không dây phi cấu trúc Nó liên quan tới toàn bộcác tầng trong ngăn xếp giao thức, từ tầng vật lý tới tầng chuyển vận làm phátsinh ba vấn đề chính: độ trễ cao, mất gói tin và thông lượng thấp

Do các tính chất khác biệt của mạng MANET so với mạng truyền thống,

có nhiều thách thức cần được giải quyết từ các nhà nghiên cứu và triển khaicông nghệ mạng này Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức củamạng MANET, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần đảm bảo đượcyêu cầu tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đápứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp

Khi một giao thức được thiết kế theo nguyên tắc phân tầng, hoạt động củagiao thức này chỉ tập trung vào một tầng cụ thể nào đó mà không xem xét tới cáctham số từ các tầng khác của trong mô hình ngăn xếp giao thức Vì vậy, hoạtđộng của các giao thức chỉ đạt mục tiêu tại tầng mà nó được thiết kế chứ không

tối ưu cho vấn đề điều khiển năng lượng truyền thông gây ảnh hưởng tới hiệunăng của toàn mạng.

Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu được đề xuất nhằm cải tiến các giao thứcđịnh tuyến cho mạng MANET Tuy nhiên, mỗi đề xuất cải tiến chỉ áp dụng chomột giao thức định tuyến hoặc một nhóm các giao thức có chung chiến lược địnhtuyến nhất định Các so sánh đánh giá về hiệu năng của các giao thức đã cải tiến

so với các giao thức ban đầu cũng chỉ tập trung vào một số mô hình toán học vàkịch bản mô phỏng nhất định đối với mạng MANET Vì vậy, trong từng ngữcảnh triển khai mạng MANET với các yêu cầu cụ thể, cần lựa chọn, cải tiến và

sử dụng giao thức định tuyến một cách phù hợp

Đề tài này tập trung nghiên cứu vào một số phương pháp và kỹ thuật cảitiến giao thức định tuyến dành cho mạng MANET trên cơ sở phương pháp tiếpcận xuyên tầng nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong truyền thông đểnâng cao hiệu năng mạng Trong đó, tập trung vào phương pháp sử dụng thôngtin về độ mạnh của tín hiệu thu được (RSS) từ tầng vật lý để xây dựng cơ chếđiều khiển năng lượng truyền động tích hợp vào giao thức AODV tại tầng địnhtuyến nhằm tối ưu việc sử dụng năng lượng tại các nút mạng và tăng độ tin cậytruyền thông

Cấu trúc luận văn được trình bày như sau: Chương 1 trình bày tổng quan

về mạng MANET và các ứng dụng của mạng này Các đề xuất tối ưu hóa nănglượng trong mạng MANET sẽ được trình bày trong Chương 2 Thiết kế, thuậttoán, mô phỏng, phân tích và đánh giá của giao thức CLPC tiếp cận theo hướngxuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET được trình bày

trong Chương 3 Cuối cùng là phần kết luận đưa ra những tổng kết và hướng phát triển của luận văn.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới thiệu về mạng MANET

1.1.1 Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET

Theo định nghĩa của Tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force),

MANET ( Mobile Ad-hoc Network) còn được gọi là Mạng ad hoc không dây di động là một vùng tự trị (Autonomous System) của các bộ định tuyến được kết

nối với nhau bằng liên kết không dây Mỗi nút mạng vừa đóng vai trò là thiết bịđầu cuối vừa đóng vai trò là bộ định tuyến Các nút có thể di chuyển một cách tự

do làm cho kiến trúc của mạng thay đổi liên tục

Hình 1.1 Minh họa mạng MANET

Như vậy có thể thấy mạng MANET bao gồm tập các nút không dây diđộng có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của trạm

cơ sở cố định hoặc mạng có dây Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giớihạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp các gói

dữ liệu

Hình 1.1 là một ví dụ minh họa cho một mạng MANET Trong ví dụ này,các gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điệnthoại thông minh không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn Vì vậy, cần có

sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nútđích Để thực hiện được công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thứcđịnh tuyến phù hợp cho mạng MANET

Trong mạng MANET, liên kết giữa các nút mạng được đặc trưng bởikhoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù làtạm thời Để triển khai thành công được mạng MANET, thiết kế và công nghệmạng phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Đảm bảo kết nối khi nút mạng di chuyển: Khoảng cách giữa các nút hoặctrạng thái ở gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng Chỉ cần hai hoặc nhiềunút chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng ad-hoc Chính

sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây ra bản chất đặc biệt(ad-hoc) của mạng

 Tính sẵn sàng hợp tác: Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn sàng hợptác để tạo thành mạng Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định “online” hay

“offline”

 Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc đượcxác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định Một nútluôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng Do đó, mạng được coi là tạmthời Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các nút trong mạngphải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer)

1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET

Do MANET là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của hạtầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các thiết bị di động vừađóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạngMANET còn có một số đặc điểm nổi bật sau [2]:

 Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúccủa loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểmkhông xác định trước Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng MANET có thêm hoặc mất

đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều

 Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thôngnhỏ hơn so với các liên kết có dây Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập,vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của các liên kếtkhông dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết của môitrường truyền không dây

 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng MANET

có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay.Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính trong mạng

có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượngnguồn pin nuôi sống hoạt động của nút

 Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tácđộng về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với mạng códây Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật trong mạng nhưnghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển khai trong mạngMANET hơn là trong mạng có dây truyền thống

1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET

Mạng MANET có rất nhiều ưu thế so với các mạng truyền thống về mặtứng dụng trong những điều kiện khó có thể triển khai được một cơ sở hạ tầngmạng cố định hoặc việc triển khai là không khả thi do những lý do về mặt thựchành (địa hình,…) hoặc do những lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một khônggian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập)

Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trongquân sự đầu tiên, và mạng không dây kiểu không cấu trúc cũng không phải làmột ngoại lệ Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” –một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay

Mạng MANET thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên,các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào Trong môhình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên củachúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Xu hướng di động ở đây

là theo nhóm (group mobility)

Do đó, nếu đưa ra được một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đềcủa mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: định tuyến, sử dụng các ứngdụng thời gian thực như tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháptối ưu

Mạng MANET rất lý tưởng trong các trường hợp không có sẵn một cơ sở

hạ tầng thông tin, tuy nhiên lại cần phải thành lập một mạng tạm thời nhằm traođổi thông tin và hợp tác cùng làm việc

Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có được một cơ sở hạ tầng

về thông tin vững chắc Hệ thống có trước đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá hủyhoàn toàn

Tại vùng có thảm họa, tất cả các phương tiện và hệ thống truyền thông đều

bị phá hủy hoàn toàn Mỗi chiếc xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… đềuđược trang bị như một thiết bị đầu cuối di động – là một phần của mạng ad-hoc.Mỗi nhân viên cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động Các thiết bị đầucuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng tạm thời nhằm trao đổithông tin Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau Ngoài ra,các thiết bị đầu cuối di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin

mà còn có thể chuyển tiếp thông tin – đóng vai trò như router trên Internet

Đối với ứng dụng chia sẻ tài nguyên trong hội họp, khác với cách làmtruyền thống khi những người tham gia hội thảo muốn chia sẻ tài liệu cho nhau

là gửi file đính kèm qua email hoặc sao chép qua các thiết bị lưu trữ thứ cấp cókhả năng di động, tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết

bị di động để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian đó Các thiết bị cóthể truyền thông với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo.Khi hội thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ

Đối với ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, môi trường mạng là mạngMANET thuần túy, tức là không có cơ sở hạ tầng về cáp, các thiết bị đầu cuối tựcấu hình để thành lập mạng, mà không có sự quản lý tập trung Mạng này có thể

tự chia nhỏ thành các mạng con Ví dụ như một mạng riêng giữa em học sinh vàbạn của em, một mạng “chung” được khởi tạo bởi người muốn chia sẻ cácchương trình trò chơi điện tử trên máy của anh ta Hai mạng này được trộn lẫnvào nhau một cách linh động.

Hình vẽ 1.1 Ví dụ minh họa mạng MANET trên xe bus

 Mạng cảm biến

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm nănglượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ Mạng cảm biến làmạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùngthực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất,nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dòtìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,

Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảmbiến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung Ngày nay, các nút mạngcảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môitrường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có đượcmột hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông

Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng đểtriển khai mạng cảm biến do:

 Các nút cảm biến được phân tán trong vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng Các nút phải tự hình thành kết nối.

 Các nút phải tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào

 Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút mớiđược thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những thay đổi này

Là một công nghệ đang bùng nổ để cung cấp truy cập mạng băng thôngrộng tới các gia đình, một cách để thay thế ADSL (Asymmetric DigitalSubscriber Line) và các công nghệ tương tự khác Mạng rooftop sử dụng côngnghệ mạng ad-hoc để mở rộng phạm vi của một số điểm truy cập – các điểm nàyđược nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) Mỗi người truy cập đượctrang bị một router ad-hoc cho phép chuyển tiếp lưu lượng thay mặt nhữngngười truy cập khác

Từ khía cạnh ad-hoc, những mạng MANET như vậy là tương đối tĩnh –cấu hình của mạng hiếm khi thay đổi

Hình 1.3 Một ví dụ của mạng Rooftop

 Mở rộng phạm vi của điểm truy cập

Trong các mạng không dây được sử dụng rộng rãi ngày nay, các nút mạng

di động được kết nối với các điểm truy cập theo cấu hình hình sao Để được kếtnối vào mạng, người sử dụng phải ở trong phạm vi truy cập của mạng Do phạm

vi truy cập này là giới hạn và cơ sở hạ tầng một chặng (one-hop) của cấu hìnhnày, các điểm truy cập phải được trải rộng trong toàn bộ vùng, bao phủ khắpnhững nơi muốn kết nối với nhau

Sử dụng mạng không dây kiểu không cấu trúc, nhu cầu cần các điểm truycập sẽ giảm – người sử dụng bên ngoài phạm vi truy cập sẽ vẫn có thể được

“tiếp sóng” thông qua một hoặc nhiều nút trung gian để truy cập được vào mạng

1.2 Một số công nghệ của mạng MANET

1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 [4] là chuẩn WLAN (Wireless Local Area Network –mạng cục bộ không dây) đầu tiên dành được sự chấp nhận của thị trường Xuấtphát điểm chuẩn này được IEEE đưa ra vào năm 1987 như một phần của chuẩnIEEE 802.4 với tên gọi IEEE 802.4L Năm 1990, nhóm làm việc của 802.4L đãđược đổi tên thành IEEE 802.11 WLAN Project Committee nhằm tạo ra mộtchuẩn 802 độc lập, có nhiệm vụ định nghĩa các đặc tả dành cho tầng vật lý(PHY), tầng MAC và phần dưới của tầng liên kết dữ liệu đối với mạng WLAN.Hình 1.4 minh họa sự so sánh giữa mô hình OSI và mô hình IEEE 802 Nếu môhình OSI biểu diễn một cấu trúc truyền thông tổng thể, thống nhất thì mô hìnhIEEE 802 chỉ quan tâm tới các tầng phía dưới, đặc biệt là tầng liên kết dữ liệu vàtầng vật lý

Hình 1.4 Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11

Mục đích của chuẩn IEEE 802.11 là nhằm thúc đẩy sự tương thích giữacác nhà sản xuất WLAN khác nhau Nhờ vậy, IEEE 802.11 đã được chấp nhậnvào ngày 27 tháng 7 năm 1997 Kể từ đó đã có thêm hai chuẩn nữa của IEEEđược phê chuẩn nhằm mở rộng tốc độ truyền dữ liệu của WLAN bằng cách nângcao đặc tả của tầng vật lý Các đặc tả IEEE 802.11b và IEEE 802.11a đều đượcđưa ra vào năm 1999 Cả hai chuẩn này đều có cùng một đặc tả tầng MAC giốngnhư đặc tả ban đầu của IEEE 802.11 Sự khác nhau là ở tầng vật lý, IEEE802.11a sử dụng OFDM ở dải tần 5 GHz UNII để có tốc độ truyền dữ liệu caohơn, lên tới 54Mbps, trong khi đó IEEE 802.11b sử dụng CCK ở dải tần 2.4GHzISM với thông lượng dữ liệu tối đa là 11Mbps

1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth

Tháng 7 năm 1999, phiên bản đầu tiên của đặc tả Bluetooth (1.0) được đưa

ra bởi Bluetooth SIG; đặc tả hiện tại là 5.1 [3] Tuy nhiên, Bluetooth đã được bắt

đầu từ 5 năm trước, 1994, khi Ericsson Mobile Communications bắt đầu nghiêncứu để tìm ra một công nghệ không dây có thể sử dụng hiệu quả để thay thế cápkhi liên kết các điện thoại theo kiểu tế bào với các phụ kiện của nó Nghiên cứu

đã tập trung vào liên kết sóng vô tuyến vì sóng vô tuyến là vô hướng và trongtầm nhìn thẳng Việc sử dụng sóng vô tuyến đem lại những ưu điểm hơn hẳn sovới công nghệ hồng ngoại đã được sử dụng trước đó với cùng một mục đích.Trong số nhiều yêu cầu đối với Bluetooth, hỗ trợ cho thoại và dữ liệu là đặc tínhchính do mục đích của công nghệ này là kết nối máy điện thoại với tai nghe vàphụ kiện

Nhóm làm việc Bluetooth (Bluetooth SIG) được thành lập năm 1998 bởimột nhóm các công ty đề xuất, bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Nokia và Toshiba.Ngày nay, nhóm đã được mở rộng với số thành viên lên tới hàng ngàn Tuynhiên, việc giới thiệu công nghệ không dây Bluetooth ra thị trường vẫn gặp trởngại do phải cạnh tranh với IEEE 802.11b – đã được đưa ra trước và chiếm thịphần chủ yếu trên thị trường Hiện tượng này vẫn tiếp tục và vấn đề gây nhiềutranh cãi trong nền công nghệ không dây liên quan đến việc chuẩn nào Bluetoothhay IEEE 802.11b sẽ thắng thế

Mặc dù cùng hoạt động ở dải tần 2.4GHz, Bluetooth và IEEE 802.11b cónhững đặc điểm khác hẳn nhau, cả về khía cạnh kỹ thuật lẫn ứng dụng Hình 1.5cho thấy IEEE 802.11 có khả năng kỹ thuật hỗ trợ cho mạng không dây tốc độcao với dải tần 2.4 và 5 GHz, hỗ trợ công nghệ DSSS Trong khi đó công nghệkhông dây Bluetooth chỉ hỗ trợ FHSS ở dải tần 2.4GHz – là giải pháp chính chomạng ad-hoc trong phạm vi nhỏ, sử dụng để thay thế cáp kết nối giữa máy tính

và các thiết bị phụ trợ khác

Hình 1.5 Thông số chính của các chuẩn IEEE 802.11 và Bluetooth.

1.2.3 Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b

 Các chế độ hoạt động

IEEE 802.11b có thể hoạt động ở 3 chế độ khác nhau: BBS, ESS, và IBSS (Hình 1.6)

Hình 1.6 Các chế độ hoạt động của IEEE 802.11b

Basic Service Set – BSS (Tập dịch vụ cơ bản): Mỗi BSS chứa một điểm

truy cập (AP – access point), các nút mạng không dây hay còn gọi là các trạm

không dây Điểm truy cập đóng vai trò như cầu (bridge) cho BSS Mọi truyềnthông giữa các nút mạng không dây hoặc giữa một nút mạng không dây với mộtmáy trong mạng LAN hữu tuyến đều đi qua điểm truy cập Điểm truy cập không

di động và là một phần của cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến

Extended Service Set – ESS (Tập dịch vụ mở rộng): Cung cấp hạ tầng

mạng cho nhiều BSS Các điểm truy cập truyền thông với nhau thông qua một hệthống phân tán (Distribution System – DS) DS có thể là bất cứ kiểu mạng nàonhưng thường là một mạng đường trục để chuyển tiếp gói tin giữa các BSS Do

đó, người dùng di động có thể di chuyển một cách “liền mảnh” giữa các BSSkhác nhau

Independent Basic Service Set – IBSS (Tập dịch vụ cơ bản độc lập):

Các nút mạng không dây là ngang hàng với nhau Chúng truyền thông trực tiếpvới nhau, không thông qua bất cứ điểm truy cập nào khác Các nút phải ở trongphạm vi hoạt động của nhau để có thể truyền thông

BSS và ESS thường được gọi là chế độ có cơ sở hạ tầng mạng(infrastructure mode), trong khi đó IBSS được gọi là chế độ ad-hoc (ad-hocmode), không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước

Phương pháp truy cập cơ bản của giao thức MAC IEEE 802.11 là DCF(Distributed Coordination Function), bản chất là một giao thức MAC đa truy cậpcảm nhận sóng mang có tránh xung đột (CSMA/CA) Ngoài ra, IEEE 802.11cũng có một phương pháp truy cập khác, đó là PCF (Point CoordinationFunction) – hoạt động gần tương tự như một hệ hỏi vòng (polling system).

Hình 1.7 Kiến trúc của IEEE 802.11

1.2.4 Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b

Trong chuẩn IEEE 802.11b, chế độ IBSS cho phép triển khai một mạngad-hoc

Để xác định các mạng LAN không dây khác nhau trong cùng một vùng,mỗi một mạng được gán với một số định danh Trong chế độ ad-hoc (IBSS), sốđịnh danh của IBSS là IBSSID Khi một trạm nào đó khởi tạo một IBSS, IBSSID

là một số 46bits được sinh theo một thuật toán tạo số ngẫu nhiên sao cho xácsuất để các trạm khác cũng tạo ra số đó là nhỏ nhất

Do tính linh động của thuật toán CSMA/CA, sự đồng bộ hóa của các trạmtheo một đồng hồ chung là không đủ để nhận hoặc truyền dữ liệu đúng IEEE802.11b sử dụng hai chức năng đồng bộ hóa các trạm trong một IBSS thực hiệnđồng bộ hóa và bảo trì đồng bộ hóa.

Thực hiện đồng bộ hóa: Chức năng này là cần thiết để một nút tham gia

vào một IBSS đã có Để phát hiện ra một IBSS đã có, thực hiện một thủ tục quétkênh truyền không dây Trong quá trình quét, trạm nhận được bật lên với các tần

số vô tuyến khác nhau, tìm kiếm frame điều khiển Nếu thủ tục quét không pháthiện thấy một IBSS nào, trạm có thể tự khởi tạo một IBSS

Bảo trì đồng bộ hóa: Do không có điểm truy cập trong IBSS nên chức

năng đồng bộ hóa được triển khai thông qua một thuật toán phân tán – đượcthực hiện bởi tất cả các thành viên của IBSS Thuật toán này được dựa trên việctruyền lại các frame báo hiệu theo một tỷ lệ rất nhỏ đã được biết trước Khoảngthời gian các lần truyền frame báo hiệu (beacon period/beacon interval) đượcxác định bởi trạm đã khởi tạo IBSS

Trong môi trường di động, chức năng quản lý nguồn nuôi là đặc biệt quantrọng do các nút mạng cần thực hiện chính sách tiết kiệm năng lượng (powersaving - PS) Trong IBSS, chính sách tiết kiệm năng lượng được triển khai hoàntoàn phân tán Một trạm có thể ở trong hai trạng thái năng lượng khác nhau:

 Hoạt động: trạm có đủ năng lượng

 Ngủ: trạm không thể nhận hoặc truyền dữ liệu

Các trạm sử dụng thông điệp chỉ thị lưu lượng ATIMs để thông báo về việc truyền dữ liệu sắp tới và các trạm nhận dữ liệu không được chuyển sang

trạng thái “ngủ” Trong Hình 1.8(a), bộ đệm của trạm A có một frame cần gửi tới

C Do đó A gửi một frame ATIM theo kiểu unicast cho trạm C trong thời gianứng với cửa sổ truyền tin ATIM để thông báo cho C rằng A sắp truyền tin tới C

và C không nên ở trạng thái tiết kiệm năng lƣợng Tuy nhiên trạm B là tự do khimuốn chuyển trạng thái năng lƣợng Hình 1.8(b) minh họa frame ATIM đƣợcphát multicast tới một nhóm trạm, thông báo cho các trạm này biết không chuyểnsang chế độ tiết kiệm năng lƣợng

Hình 1.8 Sử dụng frame ATIM.

Rõ ràng rằng frame ATIM phải đƣợc truyền đi trong khoảng thời gian tất

cả các trạm là hoạt động Do đó định nghĩa cửa sổ ATIM (ATIM window) là mộtkhoảng thời gian xác định tính từ thời điểm frame báo hiệu bắt đầu đƣợc truyền

đi Trong khoảng thời gian ứng với cửa sổ ATIM, tất cả các trạm phải ở trạngthái hoạt động (các trạm đang trong trạng thái tiết kiệm năng lƣợng đều đƣợc

“đánh thức”), chỉ đƣợc truyền đi frame báo hiệu và ATIM Giá trị của cửa sổATIM là một tham số của IBSS và đƣợc xác định khi IBSS đƣợc tạo ra Nếu giátrị cửa sổ ATIM bằng 0, có nghĩa là IBSS không áp dụng quản lý năng lƣợng

Hình 1.9 minh họa cửa sổ ATIM và mối quan hệ của nó với khoảng thời giangiữa các frame báo hiệu Trong hình vẽ, frame báo hiệu thứ tư bị truyền trễ dokênh truyền bận Giá trị cửa sổ ATIM là hằng số, do đó khoảng thời gian sử dụngthực sự của cửa sổ ATIM bị co lại.

Hình 1.9 Cửa sổ ATIM

Hình 1.10 minh họa tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệmnăng lượng trong một IBSS: Trong khoảng thời gian báo hiệu thứ nhất, trạm 1truyền đi frame ATIM theo kiểu multicast tới trạm 2, 3 và 4 Khi truyền đi frameATIM theo kiểu multicast, trạm 1 không cần nhận được biên nhận, tuy nhiênviệc truyền này có ý nghĩa rằng tất cả các trạm phải ở trong trạng thái hoạt độngtrong suốt khoảng thời gian của cửa sổ báo hiệu thứ nhất để nhận các frame dotrạm 1 gửi đi theo kiểu multicast Khi hết thời gian của cửa sổ ATIM, trạm 1 cóthể truyền đi frame tới các trạm kia Trạm 4 có thể lợi dụng khoảng thời gian cònlại để gửi đi một frame tới trạm 1 Trong khoảng thời gian báo hiệu thứ hai, trạm

2 và 3 đều có frame trong bộ đệm cần gửi tới trạm 4, do đó chúng gửi frameATIM tới trạm 4 Trạm 4 khi nhận được các frame ATIM này, gửi frame biên nhậncho trạm gửi tương ứng Khi hết thời gian của cửa sổ ATIM, trạm 1 không có nhucầu truyền tin cũng như không nhận được frame ATIM nào, do đó nó có

thể bước vào trạng thái “ngủ” cho tới khi bắt đầu khoảng thời gian báo hiệu thứ

ba Trạm 2 gửi một frame với kích thước lớn tới trạm 4, do đó lấy đi cơ hội

truyền tin của trạm 3 tới trạm 4 trong khoảng thời gian báo hiệu này Khi bắt đầukhoảng thời gian báo hiệu thứ ba, trạm 3 vẫn có frame trong hàng đợi cần gửiđến trạm 4 Do đó, nó truyền lại một frame ATIM tới trạm 4 Trạm 4 khi nhậnđược frame ATIM này sẽ gửi lại một frame biên nhận Trạm 2 không tham giavào việc trao đổi frame ATIM và không có nhu cầu truyền tin nữa, do đó bướcvào trạng thái “ngủ” Trạm 3 gửi frame tới trạm 4 Sau đó, trạm 4 có thể lợi dụngkhoảng thời gian còn lại để gửi đi một frame tới trạm 4 (trạm 3 biết trạm 4 ởtrong trạng thái hoạt động do quá trình trao đổi frame trước đó)

Hình 1.10 Tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm năng lượng

1.2.6 Mạng ad-hoc Bluetooth

Trước khi bắt đầu truyền đi dữ liệu, một thiết bị Bluetooth cần phải khámphá xem có thiết bị Bluetooth nào khác đang trong không gian hoạt động của nóhay không Để thực hiện điều này, thiết bị Bluetooth đó phải chuyển sang trạngthái “điều tra” Trong trạng thái này, nó liên tục gửi đi các thông điệp điều tra –thực chất là ID của gói tin chứa mã truy cập điều tra (inquiry access code – IAC)

Mã truy cập điều tra có thể là mã truy cập điều tra tổng quát (General InquiryAccess Code – GIAC) cho phép bất cứ thiết bị Bluetooth nào cũng trả lời thôngđiệp điều tra này, hoặc một mã truy cập điều tra dành riêng (dedicated inquiryaccess code – DIAC) cho phép chỉ thiết bị Bluetooth thuộc về các lớp nhất địnhtrả lời thông điệp điều tra Trong suốt quá trình truyền đi thông điệp điều tra,thiết bị này sử dụng chuỗi nhảy tần gồm 32 tần số được xác định bởi GIAC 32tần số này được chia thành hai nhóm, mỗi nhóm chứa 16 tần số liên tiếp nhau.Một nhóm phải được lặp lại ít nhất Ninquiry = 256 lần trước khi một nhóm mớiđược sử dụng Sự chuyển đổi giữa các nhóm phải được thực hiện vài lần (tối đa

là 3) để lấy được đủ số lượng các thông điệp trả lời cần thiết Do đó trạng tháiđiều tra kéo dài khoảng 10.24s trừ phi thiết bị thực hiện điều tra đã có đủ sốlượng thông điệp trả lời cần thiết trong khoảng thời gian ngắn hơn và ra khỏitrạng thái này Giữa hai lần thực hiện điều tra, bộ phận nhận của thiết bị điều tra

sẽ quét xem có thông điệp trả lời điều tra nào không Trạng thái điều tra sẽ đượctiếp tục hoặc dừng lại do quyết định của Baseband Resource Manager (khi đãnhận được đủ số thông điệp trả lời cần thiết), hoặc khi hết thời gian điều tra đãđịnh (timeout) hoặc bị hủy bỏ do lệnh từ máy (host)

Một thiết bị chỉ có thể trả lời lại một thông điệp điều tra nếu nó đang lắngnghe kênh truyền để tìm một thông điệp điều tra và bộ phận nhận của nó được

bật ở cùng tần số với thiết bị đang thực hiện điều tra Để làm tăng khả năng của

sự kiện này, một thiết bị sẽ quét mã truy cập điều tra (theo một tần số xác định)trong một khoảng thời gian đủ dài sao cho quét hết 16 tần số điều tra Hiểnnhiên, thiết bị nhận được thông điệp điều tra không bị bắt buộc gửi thông điệptrả lời Nếu trả lời, nó gửi đi một gói tin điều khiển đặc biệt – gói tin FHS chứađịa chỉ thiết bị Bluetooth và đồng hồ của nó

Sau khi thực hiện điều tra, thiết bị Bluetooth sẽ phát hiện ra địa chỉ của cácthiết bị Bluetooth xung quanh và đồng hồ của các thiết bị đó Nếu nó muốn kíchhoạt một kết nối mới, nó phải phân phát địa chỉ thiết bị Bluetooth và đồng hồ củachính nó nhằm mục đích “tìm gọi” (paging) Thiết bị bắt đầu quá trình tìm gọiđược tự động bầu làm master, thiết bị tìm gọi là slave Thiết bị thực hiện tìm gọi

gửi đi các thông điệp tìm gọi (page message), thực chất là gói tin chỉ chứa mã

truy cập thiết bị (device access code – DAC), theo các kênh truyền có chặng(hop) khác nhau DAC được lấy trực tiếp từ địa chỉ thiết bị Bluetooth của thiết bị

bị tìm gọi, do đó chỉ có duy nhất thiết bị này mới có thể nhận ra thông điệp tìmgọi Sau thủ tục tìm gọi, slave có được thông tin chính xác về đồng hồ củamaster và mã truy cập kênh truyền, do đó nó và master có thể bước vào trạngthái kết nối Tuy nhiên, việc truyền tin thực sự sẽ chỉ thực sự được bắt đầu saukhi slave nhận được thông điệp chỉ định (polling message) do master gửi cho

Khi một kết nối được thiết lập, các slave ở trạng thái hoạt động phải duytrì đồng bộ hóa với master Để thực hiện được điều này, slave lắng nghe kênhtruyền tại mỗi khe thời gian master truyền tin đến slave bởi vì nó cần thông tin

về CAC (mã truy cập kênh truyền) Hiển nhiên, nếu một slave đang ở trạng tháihoạt động không được chỉ định, sau khi đọc thông tin về kiểu gói tin, nó có thể

quay trở lại trạng thái ngủ (sleep state) trong khoảng thời gian bằng với số khethời gian mà master cần để thực hiện việc truyền tin.

Nhìn chung, các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth đều là các thiết bị diđộng và mang theo người, do đó việc tối thiểu hóa năng lượng sử dụng là mộtvấn đề quan trọng Để giảm tiêu thụ năng lượng, đặc tả Bluetooth cũng địnhnghĩa một số trạng thái tiết kiệm năng lượng đối với các slave đang được kếtnối: Sniff, Hold, Park

1.3 Định tuyến trong mạng MANET

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến trong mạng MANET

Như đã được đề cập ở phần trước, mạng MANET có những khác biệt lớnvới mạng truyền thống về tài nguyên hạn chế tại các nút mạng, băng thông hạnchế, tỷ lệ lỗi cao, topo mạng thay đổi liên tục Do đó, các giao thức định tuyếntrong mạng MANET cần đảm bảo được những yêu cầu sau [2]:

 Tối thiểu hóa tải điều khiển: Việc truyền và nhận các gói tin điều khiển đềutiêu tốn băng thông mạng, tài nguyên xử lý và năng lượng pin Giao thức định tuyếnnào giảm được số lượng các gói tin điều khiển thì sẽ tiết kiệm được những tàinguyên này

 Tối thiểu hóa tải xử lý: Những thuật toán phức tạp yêu cầu tài nguyên CPUcao dẫn đến trễ xử lý lớn và tốn pin tại các nút mạng Giao thức định tuyến có thuậttoán đơn giản sẽ kéo dài được thời gian hoạt động của toàn mạng

 Hỗ trợ định tuyến đa chặng: Mỗi nút mạng không dây chỉ có khả năng truyềntín hiệu trong một phạm vi giới hạn nên để thực hiện việc truyền dữ liệu trong

mạng, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đường đa chặng giữa các cặp nút nguồn – đích.

 Đáp ứng được với sự thay đổi về topo mạng: Giao thức định tuyến phải cókhả năng duy trì được các đường đã tìm được khi nút nguồn, nút đích hoặc các núttrung gian trên các đường đó di chuyển Các kết nối trong mạng MANET cũngthường xuyên bị phá vỡ nên giao thức định tuyến phải có khả năng phản ứng nhanhvới tải điều khiển nhỏ nhất

 Ngăn chặn định tuyến lặp: Vấn đề định tuyến lặp bởi việc một nút chọn chặng

kế tiếp của đường là một nút trước đó đã xuất hiện Khi tồn tại đường lặp vòng, cácgói dữ liệu sẽ bị chuyển tiếp liên tục trong vòng mà không đến được đích cho đến khitrường TTL của nó bằng không Hiện tượng này gây tốn băng thông và giảm hiệunăng mạng Vì vậy, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đườngkhông lặp

1.3.2 Giao thức định tuyến AODV

AODV [7] là một giao thức định tuyến động, hoạt động theo yêu cầu, đachặng và tự khởi động giữa các nút di động trong mạng MANET Nó cho phépcác nút tìm được các đường tới một đích một cách nhanh chóng và không yêucầu các nút duy trì các con đường tới đích khi không truyền thông Đồng thời,giao thức này cho phép các nút di động làm việc được với sự thay đổi hình trạngcủa mạng hoặc liên kết bị đứt

AODV là giao thức có khả năng tránh định tuyến lặp và có tốc độ hội tụnhanh khi hình trạng mạng thay đổi Khi một liên kết bị đứt, AODV sẽ tạo rahiệu ứng để báo cho tập các nút liên quan cập nhật thông tin về đường bị lỗi.Giao thức này sử dụng số thứ tự đích cho mỗi entry trong bảng định tuyến để

biểu diễn “độ mới” của đường Số thứ tự đích do nút đích tạo ra được đưa vàocác gói tin điều khiển cùng với các thông tin định tuyến khác và được gửi đi đếnnút có yêu cầu tìm đường Nút yêu cầu sẽ lựa chọn một con đường có số thứ tựlớn nhất.

Các gói yêu cầu đường (RREQ), trả lời đường (RREP), báo lỗi đường(RERR) và gói Hello là các gói điều khiển được định nghĩa trong AODV Khimột nút cần tìm đường đến đích, nó sẽ quảng bá gói RREQ Quá trình quảng bágói RREQ tạo ra các đường nghịch (reverse route) hướng tới nút nguồn tại cácnút nhận gói Khi một nút nhận được gói RREQ, nếu nó là nút đích hoặc là nút

trung gian nhưng có thông tin về đường “đủ mới” thoả mãn yêu cầu của nút

nguồn, nó sẽ gửi gói RREP dạng unicast tới nút nguồn để trả lời đường Quátrình truyền gói RREP tạo ra các đường thuận (forward route) hướng tới nútđích tại các nút nhận gói Gói Hello được sử dụng để theo dõi trạng thái của liênkết Khi một liên kết thuộc một đường bị đứt gói RERR được sử dụng để báo lỗi

đường cho các nút láng giềng qua “danh sách con trỏ trước”.

Quản lý số thứ tự là một việc thiết yếu để tránh định tuyến lặp Một nútđích sẽ trở thành nút không đến được khi một liên kết bị đứt hoặc đang ở trạngthái không hợp lệ Khi những điều kiện này xảy ra, đường chứa liên kết này sẽđược coi là mất hiệu lực bằng thao tác gán số thứ tự và đánh dấu trong bảng địnhtuyến là đường không hợp lệ

Cơ chế hoạt động của giao thức AODV

 Duy trì các số thứ tự

Số thứ tự được gán cho mỗi đường trong bảng định tuyến là “độ mới” của con đường Nó được gọi là “số thứ tự đích” vì nó biểu diễn “độ mới” cho con

đường tới một đích xác định để tránh định tuyến lặp Nó được cập nhật khi mộtnút nhận được thông tin mới hơn từ các thông điệp RREQ, RREP hoặc RERRliên quan đến đích Số thứ tự đích được mỗi nút duy trì một cách độc lập Mộtnút sẽ tăng số thứ tự của nó: (1) trước khi gửi gói RREQ; (2) trước khi gửi góiRREP; (3) khi nhận thông tin về trạng thái liên kết tới chặng kế tiếp của đường

bị lỗi

Để khẳng định rằng thông tin về đường đi tới một đích là mới, một nút chỉcập nhật thông tin từ các gói điều khiển của AODV nó nhận được khi số thứ tựđích của gói lớn hơn số thứ tự đích hiện tại của nó

Bảng định tuyến của AODV bao gồm các entry, mỗi entry là biểu diễn mộtđường tới một đích, chứa các thông tin về IP đích, số thứ tự đích, các cờ trạngthái, giao tiếp mạng, số chặng, chặng kế tiếp, danh sách con trỏ trước và thờigian sống

Khi một nút nhận được gói RREQ, RREP hoặc RRER, nó sẽ kiểm trabảng định tuyến đã có entry biểu diễn đường tới đích Nếu chưa có, nó sẽ tạoentry mới Một entry chỉ được cập nhật nếu số thứ tự đích của nó: (i) cao hơn sốthứ tự đích; (ii) bằng với số thứ tự đích nhưng số chặng của đường mới cộngmột nhỏ hơn số chặng hiện tại của entry hiện tại; (iii) chưa được biết đến

Thời gian hoạt động của mỗi entry được xác định từ gói điều khiển nhậnđược hoặc được khởi tạo tới bằng giá trị ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT Khientry được sử dụng để chuyển tiếp gói dữ liệu, giá trị trường này được cập nhậtbằng thời gian hiện tại cộng với ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT Nếu thời gianhiện tại lớn hơn giá trị trường này, entry sẽ được đánh dấu là không hợp lệ

Các nút trong danh sách này sẽ nhận các thông báo về sự kiện liên kết tớichặng kế tiếp bị đứt Danh sách các con trỏ trước chứa địa chỉ các nút láng giềngcủa các đường nghịch.

Giao thức AODV sử dụng gói tin RREQ để gửi yêu cầu tìm đường Cấutrúc gói RREQ được biểu diễn trong Hình 1.11

Một nút sẽ gửi gói RREQ khi cần chuyển tiếp một gói dữ liệu tới một đíchnhưng nó không có entry hợp lệ trong bảng định tuyến Trường DestinationSequence Number được thiết lập bằng số thứ tự đích của entry có đích tươngứng trong bảng định tuyến Nếu entry này không tồn tại, cờ „U‟ được thiết lập làTrue Trường Originator Sequence Number được thiết lập giá trị bằng số thứ tựcủa nút cộng một Trường RREQ ID được thiết lập bằng giá trị RREQ ID củanút cộng một Mỗi nút duy trì giá trị RREQ ID một cách độc lập Trường HopCount được thiết lập bằng 0 Trường Originator IP Address và Destination IPAddress chứa địa chỉ IP tương ứng của nút hiện tại (nguồn) và nút đích

Hình 1.11 Cấu trúc gói RREQ

Trước khi quảng bá gói RREQ, nút nguồn lưu giá trị trường RREQ ID vàOriginator IP Address trong khoảng thời gian PATH_DISCOVERY_TIME Khimột nút nhận lại gói tin chính gói tin này từ các nút láng giềng, gói tin sẽ khôngđược xử lý và chuyển tiếp Nếu cờ „G‟ được thiết lập, khi nút trung gian gửi góiRREP để trả lời đường, nó sẽ thông tin cho nút đích đường quay trở lại nútnguồn.

Số gói RREQ được tạo trong một giây phải nhỏ hơn RREQ_RATELIMIT.Sau khi gửi gói RREQ, nút nguồn đợi gói RREP trong khoảng thời gianNET_TRAVERSAL_TIME Sau khoảng thời gian này, nút nguồn sẽ quảng bámột gói RREQ khác với số lần gửi lại lớn nhất là RREQ_RETRIES Để giảm tắcnghẽn, giá trị của khoảng thời gian đợi gói RREP ở lần truyền lại gói RREQ thứ

n sẽ là (2n x NET_TRAVERSAL_TIME)

Dữ liệu cần chuyển tiếp trong thời gian tìm đường được lưu trữ vào bộnhớ đệm kiểu FIFO Nếu sau RREQ_RETRIES lần gửi lại gói RREQ, nút nguồnkhông tìm được đường, dữ liệu trong bộ nhớ đệm sẽ bị xóa và thông điệpDestination Unreachable sẽ được gửi tới ứng dụng

Để hạn chế sự quảng bá của gói RREQ, các nút trong giao thức AODV cóthể sử dụng thuật toán tìm đường mở rộng dần theo vòng trên cơ sở thay đổi giátrị trường TTL trong gói IP chứa gói RREQ Giá trị trường này được khởi tạo ởlần tìm đường thứ nhất là TTL_START Nếu sau thời gianRING_TRAVERAL_TIME, nút nguồn không nhận được gói trả lời đườngRREP, nó sẽ tăng giá trị trường TTL lên TTL_INCREMENT đơn vị và gửi lạigói RREQ Việc này sẽ tiếp tục cho đến khi TTL được thiết lập trong RREQ đạt

đến ngưỡng TTL_THRESHOLD, ngoại trừ trường hợpTTL=NET_DIAMETER được sử dụng cho mỗi lần thử truyền lại RREQ Saumỗi lần, khoảng thời gian timeout chờ để nhận một thông điệp RREP làRING_TRAVERAL_TIME Khi muốn thông điệp RREQ đi qua toàn bộ mạngtrong mọi lần thử truyền lại, cần thiết lập cả giá trị TTL_START vàTTL_INCREMENT bằng giá trị NET_DIAMETER.

Nếu trong bảng định tuyến tồn tại một entry tới đích nhưng không còn hợp

lệ, giá trị TTL được khởi tạo bằng tổng số chặng của entry vàTTL_INCREMENT

Khi một nút nhận được một gói RREQ, đầu tiên nó sẽ tạo hoặc cập nhật entrybiểu diễn đường tới nút gửi gói RREQ cho nó Sau đó, nó sẽ kiểm tra để xác định

nó đã được nhận gói này trước đó chưa Nếu đã nhận, nút này sẽ huỷ bỏ góiRREQ Nếu chưa nhận được, nó sẽ thực hiện các việc sau: (1) tăng giá trị trườnghop count trong gói RREQ được tăng lên một đơn vị; (2) tìm đường nghịch có đích

là Originator IP Address của gói RREQ trong bảng định tuyến của mình Nếu chưa

có thì tạo đường nghịch mới Nếu đã có thì cập nhật đường nghịch nếu đườngnghịch nhận được có số thứ tự mới hơn số thứ tự của đường hiện tại; (3) cập nhật

số thứ tự đích của nút nếu số thứ tự đích của gói RREQ lớn hơn số thứ tự hiện tạicủa nút; (4) chuyển tiếp gói RREQ nếu không có đường tới đích hoặc trả lời bằnggói RREP nếu có đường tới đích Trong trường hợp gói RREQ cần được chuyểntiếp, giá trị trường TTL được trừ đi 1 đơn vị và gói này được gửi kiểu broadcasttrên tất cả các giao tiếp mạng của nút Trường hợp trả

lời bằng gói RREP, nếu giá trị cờ „G‟ trong gói RREQ bằng 1, gói RREQ sẽ được gửi kiểu unicast đến đích.

 Tạo gói trả lời đường RREP

Giao thức AODV dùng gói tin RREP (Hình 1.12) để trả lời truy vấnđường Một nút tạo gói RREP nếu nó là nút đích hoặc nó có entry biểu diễnđường tới nút đích có giá trị số thứ tự đích lớn hơn hoặc bằng với số thứ tự đíchcủa gói RREQ nó nhận được

Khi tạo ra một thông điệp RREP, giá trị trường Destination IP Address vàtrường Originator IP Address được sao chép từ thông điệp RREQ Sau đó, góiRREP được truyền kiểu unicast theo đường nghịch mà gói RREQ đã đi qua Tạimỗi nút trung gian, giá trị trường Hop Count sẽ được tăng 1 đơn vị

Nếu nút tạo gói RREP là nút đích, nó phải tăng số thứ tự của nó lên mộtđơn vị nếu số thứ tự trong thông điệp RREQ lớn hơn số thứ tự hiện tại của nó.Nút đích sẽ thiết lập giá trị cho trường Destination Sequence Number bằng sốthứ tự của nó, thiết lập giá trị trường Hop Count bằng 0, thiết lập giá trị trườngLifetime bằng giá trị MY_ROUTE_TIMEOUT của nó

Hình 1.12 Cấu trúc gói RREP

Gọi entry trong bảng định tuyến chứa đường tới nút đích là entry hiện tại.Nếu nút tạo thông điệp RREP không phải là nút đích, nó sẽ thiết lập giá trịtrường Destination Sequence Number bằng giá trị entry hiện tại; cập nhật cácdanh sách con trỏ trước của entry biểu diễn đường thuận tới đích và đườngnghịch tới nguồn tương ứng bằng địa chỉ IP của nút gửi gói RREQ cho nó và địachỉ IP của chặng kế tiếp thuộc đường tới đích; thiết lập trường Hop Count bằnggiá trị Hop Count của entry hiện tại; thiết lập giá trị trường Lifetime bằng hiệugiữa thời gian timeout của hiện tại và thời gian hiện tại

Khi một nút nhận gói RREP, nó sẽ tạo một entry chứa đường tới nút gửigói RREP và entry chứa đường thuận tới nút đích nếu những entry này chưa tồntại Sau đó, nút này sẽ tăng giá trị trường Hop Count lên một đơn vị Nếu đã tồntại entry chứa đường thuận tới đích, nút hiện tại sẽ cập nhật entry này nếu: (1)

Số thứ tự của entry được đánh dấu là không hợp lệ; (2) Giá trị trườngDestination Sequence Number lớn hơn số thứ tự của nó; (3) Số thứ tự đích tronggói RREP bằng nhau số thứ tự của nó và giá trị Hop Count của gói RREP nhỏhơn giá trị Hop Count của entry hiện tại Các công việc cập nhật entry đườngthuận bao gồm: Thiết lập trạng thái entry là hợp lệ; Thiết lập trạng thái số thứ tựđích của entry là hợp lệ; Thiết lập Next Hop của entry là địa chỉ IP của nút gửigói RREP tới nó; Thiết lập giá trị trường Hop Count, Lifetime và DestinationSequence Number của entry tương ứng bằng giá trị Hop Count và Lifetime vàDestination Sequence Number của gói RREP Nút hiện tại sau đó có thể sử dụngđường biểu diễn bởi entry này để chuyển tiếp các gói dữ liệu đến đích

Nếu nút nhận gói RREP không phải là nút khởi tạo yêu cầu tìm đường, nó

sẽ tìm entry chứa đường tới nút nguồn trong bảng định tuyến để xác định núttiếp theo nhận gói RREP được nó chuyển tiếp

Giao thức AODV sử dụng gói Hello như là một phần của gói RREP đểduy trì trạng thái kết nối Gói Hello chỉ sử dụng 4 trường của gói RREP Khi mộtnút gửi gói Hello, trường Destination IP chứa địa chỉ IP của nút gửi, DestinationSequence Number chứa số thứ tự hiện tại của nút, Hop Count thiết lập bằng 0 vàLifetime thiết lập bằng giá trị ALLOWED_HELLO_LOSS *HELLO_INTERVAL Mỗi nút thuộc một đường đang hoạt động sẽ quảng bá góiHello trong gói IP có giá trị trường TTL bằng 1 theo chu kỳHELLO_INTERVAL Nếu một nút đã nhận được một gói HELLO trước đó và

nó không nhận được gói Hello tiếp theo sau khoảng thời gian bằngALLOWED_HELLO_LOSS * HELLO_INTERVAL, nút này coi như liên kếtgiữa nó với nút gửi gói Hello đã bị đứt và khởi tạo tiến trình báo lỗi đường bằnggói RRER

Khi một nút nhận được thông tin về một đường bị lỗi hoặc một liên kết bịphá vỡ, nó sẽ: (1) làm mất tính hiệu lực của các con đường đang tồn tại; (2) xácđịnh danh sách các nút đích bị ảnh hưởng; (3) xác định các nút láng giềng bị ảnhhưởng; (4) truyền gói RERR tới các nút láng giềng bị ảnh hưởng

Gói RRER được tạo ra khi một nút gặp phải một trong các tình huống: (i)khi liên kết tới chặng kế tiếp của đường tới đích bị đứt; (ii) khi nhận được gói dữ

liệu có đích mà không có entry hợp lệ; (iii) khi nhận được gói RRER liên quantới các đường trong bảng định tuyến.

Hình 1.13 Cấu trúc gói RRER

Trước khi truyền thông điệp RERR, việc cập nhật được thực hiện đối vớicác entry chứa đích không đến được trong bảng định tuyến bao gồm: (1) tăng sốthứ tự đích của entry với trường hợp (i) và (ii) hoặc thiết lập số thứ tự đích bằnggiá trị trường Unreachable Destination Sequence Number của gói RRER trongtrường hợp (iii); (2) làm mất tính hiệu lực của entry bằng trạng thái Invalid; (3)thiết lập giá trị trường Lifetime của entry bằng thời gian hiện tại công với giá trịDELETE_PERIOD Sau khoảng thời gian Lifetime, nếu trạng thái của entrykhông thay đổi, entry này sẽ bị xoá khỏi bảng định tuyến

1.4 Kết luận Chương 1

Mạng MANET là một mạng không dây được tạo thành, hủy bỏ, và thayđổi một cách tự động mà không cần có sự can thiệp của người dùng Đặc trưnglớn nhất của MANET là khả năng tự hình thành tính đa chặng Các nút chuyểntiếp các gói tin vừa đóng vai trò là một thiết bị người dùng, vừa đóng vai trò làmột router để tạo thành một mạng không dây có khả năng hoạt động rất linhhoạt

Lợi ích của mạng MANET thể hiện rõ nhất trong các điều kiện mà mạngtruyền thống không khả thi do những lý do về kinh tế hoặc những lý do triểnkhai trong thực tế Công nghệ mạng MANET có tiềm năng ứng dụng rất lớn vàocác lĩnh vực trong quân sự, phòng chống thảm họa, hội thảo, tính toán phân tán,mạng cảm biến, mạng Rooftop và mở rộng phạm vi của các điểm truy cập.

Có hai công nghệ chính ở tầng Vật lý và tầng Liên kết dữ liệu được sửdụng trong mạng MANET là IEEE 802.11b và Bluetooth Những vấn đề chínhđược trình bày trong hai công nghệ này bao gồm: kiến trúc, tính chất vật lý, cácchế độ hoạt động, cách thành lập mạng, các chức năng hợp tác, an ninh

Do mạng MANET có những khác biệt lớn với mạng truyền thống nên cácgiao thức định tuyến trong mạng MANET cần được thiết kế đặc biệt để đảm bảođược những yêu cầu: Tối thiểu hóa tải điều khiển, tối thiểu hóa tải xử lý, hỗ trợđịnh tuyến đa chặng, đáp ứng được với sự thay đổi về topo mạng và ngăn chặnđịnh tuyến lặp

Đã có nhiều giao thức định tuyến được phát triển dành cho mạng MANET,trong đó AODV là giao thức định tuyến được sử dụng rộng rãi nhất Thuật toánAODV cho phép định tuyến động, đa chặng và tự khởi động giữa các nút mạng diđộng tham gia vào mạng không dây kiểu không cấu trúc AODV cho phép các nútmạng di động tìm được các con đường tới một nút đích nào đó một cách nhanhchóng và không yêu cầu các nút duy trì các con đường tới đích khi không truyềnthông AODV cho phép các nút di động làm việc được với sự thay đổi hình trạngcủa mạng hoặc liên kết bị đứt Những cơ chế chính của AODV bao gồm tiến trìnhkhám phá đường thông qua hoạt động quảng bá gói RREQ, tiến trình trả lời đườngthông qua hoạt động gửi gói RREP, tiến trình báo lỗi đường

thông qua hoạt động gửi gói RRER và tiến trình duy trì liên kết thông trên các con đường thông qua gói HELLO.