Nghiên cứu phương pháp định tuyến hiệu quả trên cơ sở định tuyến đa đường có cân bằng tải cho mạng ad hoc

Đối với các giao thức định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường tối ưu theo độ đo định tuyến của chúng được cài đặt vào bảng định tuyến sau mỗi tiến trình tìm đường mặc dù chúng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Trần Thị Thu Thảo

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ TRÊN CƠ SỞ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG CÓ CÂN BẰNG TẢI

CHO MẠNG AD HOC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN VĂN TAM

Thái Nguyên - 2020

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ thông

tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, em đã hoàn thành luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ ngành Khoa học máy tính Để có được kết quả này, em xin bày

tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới:

- PGS TS Nguyễn Văn Tam là cán bộ hướng dẫn khoa học đã luôn tận

tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình làm luận văn

- Các cán bộ, giảng viên Khoa Công nghệ thông tin và Phòng Đào tạo

cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong trường Trường Đại học CNTT &

TT - ĐHTN đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt

quá trình em thực hiện đề tài luận văn này

Bên cạnh đó sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ

và tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung nghiên cứu hoàn thành luận văn

Do về mặt kiến thức và thời gian còn hạn chế, luận văn còn nhiều khiếm

khuyết Tôi mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và mọi người để

luận văn hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2020

Học viên

Trần Thị Thu Thảo

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG MANET VÀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET 4

1.1 Tổng quan về mạng MANET 4

1.1.1 Khái niệm mạng MANET 4

1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET 5

1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET 6

1.2 Một số chiến lược định tuyến trong mạng MANET 8

1.2.1 Phân loại các chiến lược định tuyến 8

1.2.2 Chiến lược định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu 9

1.2.3 Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 9

1.2.4 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp 10

1.2.5 Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán 12 1.2.6 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng 12

1.2.7 Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường 13

1.3 Vấn đề cân bằng tải trong định tuyến đa đường 14

1.4 Một số kỹ thuật định tuyến đa đường và cân bằng tải 16

1.5 Tổng kết Chương 1 17

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ TRÊN CƠ SỞ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG VÀ CÂN BẰNG TẢI 19

2.1 Ý tưởng thiết kế của giao thức LCMR 19

2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức LCMR 20

2.2.1 Mô tả cơ chế hoạt động 20

2.2.2 Thuật toán tại nút nguồn 22

2.2.3 Thuật toán tại nút trung gian 23

2.2.4 Thuật toán tại nút đích 25

2.3 Phân tích hiệu năng giao thức LCMR theo lý thuyết 25

2.4 Tổng kết Chương 2 32

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 33

3.1 Kịch bản mô phỏng và các độ đo đánh giá hiệu năng 33

3.2 Kết quả mô phỏng với một cặp nút nguồn-đích 35

3.2.1 Thời gian định tuyến một gói tin 35

3.2.2 Số gói tin được gửi từ nút nguồn 36

3.2.3 Thời gian định tuyến dữ liệu theo lý thuyết 39

3.2.3 Thời gian định tuyến dữ liệu của mô phỏng 41

3.3 Kết quả mô phỏng với nhiều cặp nút nguồn-đích 42

3.3.1 Tác động của số đường tới thời gian định tuyến 43

3.3.2 Tác động của số gói dữ liệu tới thời gian định tuyến 50

3.4 Đánh giá kết quả 53

3.5 Tổng kết Chương 3 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại các chiến lược định tuyến của mạng MANET 8

Bảng 3.1 Giá trị của các tham số mô phỏng 33

Bảng 3.2 Thời gian định tuyến một gói tin qua các đường tách biệt theo nút 35

Bảng 3.3 Thời gian định tuyến một gói tin qua các đường có chung liên kết 36

Bảng 3.4 Số gói tin gửi từ nút nguồn qua các đường tách biệt theo nút 37

Bảng 3.5 Số gói tin gửi từ nút nguồn qua các đường có chung liên kết 38

Bảng 3.6 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu qua các đường tách biệt theo nút 39

Bảng 3.7 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu qua các đường có chung liên kết 40

Bảng 3.8 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu của mô phỏng quacác đường tách biệt theo nút 41

Bảng 3.9 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu của mô phỏng qua các đườngcó chung liên kết 42

Bảng 3.10 Thời gian yêu cầu cho 10.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 43

Bảng 3.11 Thời gian yêu cầu cho 10.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 43

Bảng 3.12 Thời gian yêu cầu cho 8.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 44

Bảng 3.13 Thời gian yêu cầu cho 8.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 45

Bảng 3.14 Thời gian yêu cầu cho 6.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 46

Bảng 3.15 Thời gian yêu cầu cho 6.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 46

Bảng 3.16 Thời gian yêu cầu cho 4.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 47

Bảng 3.17 Thời gian yêu cầu cho 4.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 48

Bảng 3.16 Thời gian yêu cầu cho 2.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 49

Bảng 3.17 Thời gian yêu cầu cho 2.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 49

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Minh họa của mạng MANET 4

Hình 1.2 Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phẳng 11

Hình 1.3 Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phân cấp 11

Hình 1.4 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến nguồn 13

Hình 1.5 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến từng chặng 13

Hình 1.6 Nhiều đường đi được hình thành giữa một cặp nút nguồn-đích 15

Hình 3.1 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 10.000 gói dữ liệu 44

Hình 3.2 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 8.000 gói dữ liệu 46

Hình 3.3 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 6.000 gói dữ liệu 47

Hình 3.4 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 4.000 gói dữ liệu 49

Hình 3.5 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 2.000 gói dữ liệu 50

Hình 3.6 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 5 đường 51

Hình 3.7 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 4 đường 51

Hình 3.8 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 3 đường 52

Hình 3.9 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 2 đường 52

Hình 3.10 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 1 đường 53

MỞ ĐẦU

Mạng ad hoc di động (MANET) được hình thành bởi kết nối tạm thời giữa các nút mạng Đây là công nghệ mạng nền tảng để phát triển các công nghệ mạng được ứng dụng rộng rãi ngày nay như mạng cảm biến, mạng giao thông, mạng tác chiến,… Trong mạng MANET, mỗi nút mạng vừa đóng vai trò là một thiết

bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là một bộ định tuyến Do tính chất di động của các nút mạng nên bài toán định tuyến trong mạng MANET có nhiều điểm khác biệt

so với bài toán định tuyến trong các mạng truyền thống Từ góc nhìn số lượng đường định tuyến sử dụng, có thể phân chia các giao thức định tuyến trong mạng MANET theo hai nhóm là định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường Định tuyến trong mạng MANET là một vấn đề đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Giao thức định tuyến theo yêu cầu dạng véc tơ khoảng cách trong mạng ad hoc (AODV) là một trong những giao thức phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong MANETs Kỹ thuật định tuyến có khả năng nhận biết và thích ứng với vấn đề tắc nghẽn cũng đã được một số nhà nghiên cứu xem xét Trong thời gian qua, một số giao thức đã được đề xuất trên cơ sở ước lượng thời gian định tuyến làm độ đo định tuyến thay vì độ đo số chặng như trong giao thức AODV Các giao thức này sẽ chọn đường có độ đo thời gian định tuyến tối thiểu trong tiến trình khám phá đường Những giao thức định tuyến như vậy có tính đến độ trễ của liên kết dựa trên hiệu suất của kênh truyền cũng như độ trễ hàng đợi do vấn đề tắc nghẽn tại các nút trung gian

Đối với các giao thức định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường tối ưu theo độ đo định tuyến của chúng được cài đặt vào bảng định tuyến sau mỗi tiến trình tìm đường mặc dù chúng có thể nhận được thông tin về nhiều con đường tới cùng một đích trong cùng một tiến trình tìm đường Tại mỗi nút mạng, các gói tin dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo con đường thích hợp có

trong bảng định tuyến Khi một liên kết trên con đường đó bị lỗi, nút mạng này phải khởi tạo lại tiến trình tìm đường

Một lớp giao thức định tuyến khác trong MANET hoạt động dựa trên cơ chế tìm nhiều đường giữa một cặp nút nguồn đích cho trước, sau đó phân phối tải dữ liệu của các gói từ nguồn đến đích theo tất cả các con đường tìm được Ngoài việc giảm thời gian định tuyến tất cả các gói tin thông qua nhiều con đường, một ưu điểm khác của định tuyến đa đường là làm tăng độ tin cậy trong truyền thông

Giao thức FMLB (Fibonacci sequence based Multipath Load Balancing) là một giao thức định tuyến đa đường hoạt động theo cơ chế phân phối tải dữ liệu trên cơ sở chuỗi Fibonacci để cân bằng tải dữ liệu trên nhiều đường khác nhau Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu một kỹ thuật định tuyến hiệu quả trên cơ sở định tuyến đa đường có cân bằng tải được triển khai trong một giao thức định tuyến mới gọi là LCMR sử dụng trong mạng MANET Các vấn đề được nghiên cứu bao gồm: Cơ chế tìm đường cho phép tìm nhiều đường giữa một cặp nguồn-đích; kỹ thuật ước lượng thời gian định tuyến theo mỗi con đường; chiến lược cân bằng tải dữ liệu trên các đường để giảm thiểu thời gian định tuyến Việc so sánh đánh giá hiệu năng định tuyến của các kỹ thuật và chiến lược được đề xuất trong giao thức LCMR được thực hiện thông qua việc phân tích lý thuyết và mô phỏng, đánh giá hiệu năng giữa giao thức LCMR với các giao thức cùng lớp đã được đề xuất trước đó là FMLB và MAODV

Luận văn có cấu trúc như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về mạng MANET và vấn đề định tuyến trong mạng MANET Một giao thức định tuyến hiệu quả trên cơ sở định tuyến đa đường và cân bằng tải được trình bày chi tiết trong Chương 2 từ ý tưởng thiết kế, cơ chế hoạt động đến việc phân tích hiệu năng của giao thức theo lý thuyết toán học Kết quả của việc cài đặt, mô phỏng,

so sánh đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến LCMR với 4 giao thức định

tuyến đa đường khác là FLMBRT, FLMBHC, MAODVRT và MAODVHC được trình bày trong Chương 3 Nội dung tổng kết và hướng phát triển của đề tài được đưa ra trong phần kết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN MẠNG MANET VÀ ĐỊNH TUYẾN ĐA

ĐƯỜNG TRONG MẠNG MANET 1.1 Tổng quan về mạng MANET

1.1.1 Khái niệm mạng MANET

Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network – MANET) [4] là mạng di động không dây hoạt động không cần dựa vào hạ tầng mạng cố định, trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các nút mạng Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 hoạt động theo mô hình này, mặc dù nó chỉ hỗ trợ để thiết lập một mạng đơn chặng Các mạng di động không dây kiểu không cấu trúc đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng theo nghĩa: một nút mạng có thể định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận được từ một nút mạng khác Nói cách khác, con đường chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích có thể chứa các nút trung gian khác Các nút trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header của các gói tin dữ liệu

và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên một con đường đã được hình thành

Có thể hiểu một mạng MANET là một tập các nút không dây di động 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 giới hạn, do

đó chúng cần sự trợ giúp của các nút lân cận để chuyển tiếp các gói dữ liệu Khi các gói tin dữ liệu từ nút nguồn cần gửi tới một nút đích mà nút đích không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn, cần có sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích Để thực hiện được công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp

Hình 1.1 Minh họa của mạng MANET

Hình 1 là một ví dụ của mạng MANET Trong đó các nút trong mạng kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin Trong khi trao đổi thông tin, các nút này vẫn có thể di chuyển, do đó, mạng này phải đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu trong khi hình trạng mạng có thể thay đổi liên tục Các nút mạng phải có cơ chế tự tổ chức thành một mạng để thiết lập các đường truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài Trong mô hình này, mỗi nút mạng có thể đóng vai trò là một nút đầu cuối để chạy các chương trình ứng dụng của người sử dụng hoặc là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các nút mạng khác

1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET

Do mạng MANET là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các thiết bị

di động vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạng MANET có một số đặc điểm nổi bật sau [12]:

 Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không 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 thông nhỏ 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 kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo

lý thuyết của môi trường truyền không dây

 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng 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 lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút

 Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với mạng

có dây Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển khai trong mạng MANET hơn là trong mạng có dây truyền thống

Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng MANET Để có thể triển khai được mạng MANET trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết được những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên Những thách thức này gồm các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các chương trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết kiệm năng lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ và của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng và khả năng tự tổ chức của mạng;

1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET

Ngày nay, mạng MANET có nhiều những ứng dụng trong đời sống, kinh

tế, xã hội của con người Mô hình mạng này phù hợp đối với những tình huống cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động và thường xuyên

có sự biến đổi trong cấu trúc mạng Chúng còn được ứng dụng rất nhiều trong các ứng dụng từ lĩnh vực thương mại tới các ứng dụng trong các hoạt động quân sự, ứng dụng trong các hoạt động khẩn cấp, ứng dụng trong gia đình, văn phòng và giáo dục, mạng giao thông và mạng cảm biến

Đối với các ứng dụng của mạng MANET trong thương mại, những người dùng có thể chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị di động trong một cuộc họp hay hội thảo mà không cần sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng mạng cố định Các máy tính của những cá nhân có thể kết nối với nhau để tạo thành một mạng tạm thời phục

vụ cho các ứng dụng truyền thông dữ liệu trong một nhóm những người dùng

mà không cần sự hiện diện của các bộ thu phát tập trung Kết nối Internet từ một thiết bị của một người dùng cũng có thể được chia sẻ tới các thiết bị của những người dùng khác thông qua mạng MANET

Ứng dụng mạng MANET trong quân đội là một trong những ý tưởng được đưa ra ngay từ khi mạng MANET được phát triển Trong mô hình chiến đấu của quân đội trên chiến trường không có sự hỗ trợ về hạ tầng mạng cố định, mỗi người lính hoặc một phương tiện quân sự như xe tăng, máy bay, tàu chiến, tàu thủy đều có thể được kết nối và trao đổi thông tin tạm thời với nhau hoặc với trạm chỉ huy một cách linh động thông qua mạng MANET được hình thành bởi kết nối giữa các thiết bị di động truyền thông không dây được gắn vào các phương tiện quân sự hay những người lính tham gia vào cuộc chiến

Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, có thể tất cả các phương tiện và hạ tầng truyền thông được xây dựng trước đó đều bị phá hủy hoàn toàn Mỗi chiếc

xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… có thể được trang bị các thiết bị truyền nhận không dây để trở thành một thiết bị đầu cuối di động và là một phần của mạng MANET Mỗi nhân viên cứu hộ cũng có thể mang theo một thiết bị đầu cuối di động Các thiết bị đầu cuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng MANET tạm thời nhằm trao đổi thông 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 như vai trò các bộ định tuyến

Mỗi thiết bị thông minh trong gia đình, các điện thoại di động thông minh

và máy tính của những người sử dụng trong văn phòng, trong môi trường trường học, các lớp học có thể đóng vai trò như một nút mạng trong một mạng MANET được hình thành tạm thời mà không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng

cố định nhằm phục vụ cho các ứng dụng chia sẻ thông tin, truyền dữ liệu multimedia, quản lý ngôi nhà thông minh, quản lý lớp học thông minh,…

Trong vấn đề quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phương tiện giao thông

là một nút mạng di động trong mạng MANET được hình thành tạm thời trên một khu vực địa lý nhằm hỗ trợ trao đổi và quản lý các thông tin về tình trạng giao thông, hỗ trợ tìm đường tránh tắc nghẽn giao thông, theo dõi và quản lý các thiết bị tham gia giao thông, v.v

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ Một mạng MANET

có thể là một mạng cảm biến gồm các nút cảm biến Các nút này hợp tác với nhau để cùng thực 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, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,

1.2 Một số chiến lược định tuyến trong mạng MANET

1.2.1 Phân loại các chiến lược định tuyến

Có nhiều cách để phân loại các chiến lược định tuyến cho mạng MANET theo các tiêu chí khác nhau [11] Các chiến lược định tuyến này được liệt kê trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Phân loại các chiến lược định tuyến của mạng MANET

Thời điểm định tuyến Định tuyến tìm đường trước và tìm

đường theo yêu cầu Phương pháp truyền thông tin định

tuyến

Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện

Số lượng vùng định tuyến Định tuyến phẳng và định tuyến

phân cấp Thông tin định tuyến trong header

1.2.2 Chiến lược định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu

Kiểu định tuyến tìm đường trước còn được gọi là “định tuyến kích hoạt trước” hay “định tuyến điều khiển dạng bảng” Đối với kiểu định tuyến này, các con đường tới mọi đích được tìm ra trước khi có nhu cầu truyền dữ liệu tại mọi nút mạng Trạng thái của các liên kết được lưu trữ và cập nhật định kỳ trong bảng định tuyến để phục vụ cho thuật toán tìm đường tại mỗi nút mạng

Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật định tuyến này là khi có yêu cầu truyền dữ liệu, con đường truyền dữ liệu đã sẵn sàng tại các nút mạng và do đó không có độ trễ từ khi có yêu cầu truyền dữ liệu tới lúc tìm ra con đường để truyền dữ liệu Tuy nhiên các giao thức thuộc nhóm này cũng có nhược điểm là chúng tính toán và tìm ra những con đường tới mọi đích nên có thể có một số con đường

sẽ không bao giờ được sử dụng và kỹ thuật quảng bá bảng định tuyến định kỳ

sẽ chiếm dụng băng thông mạng nhiều khi trạng thái các liên kết và hình trạng mạng thay đổi với tốc độ nhanh Có thể kể đến một số giao thức định tuyến tiêu biểu thuộc nhóm này là giao thức DSDV và giao thức WRP

Đối với các giao thức định tuyến tìm đường theo yêu cầu, chỉ khi có nhu cầu sử dụng đường truyền dữ liệu, các nút liên quan mới khởi tạo tiến trình tìm đường và trao đổi thông tin định tuyến Phương pháp này có ưu điểm là tiết kiệm băng thông mạng dành cho tải định tuyến nhưng cũng có nhược điểm là quá trình tìm kiếm tuyến đường có thể gây ra một độ trễ truyền tin đáng kể Một số giao thức tiêu biểu đã được đề xuất thuộc nhóm này là DSR, AODV và TORA

1.2.3 Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện

Với các giao thức định tuyến trên cơ sở trạng thái liên kết (link state), để đảm bảo thông tin về trạng thái của các liên kết và hình trạng mạng được cập nhật kịp thời, thông tin định tuyến cần được quảng bá tới các nút mạng Trên

cơ sở cách thức quảng bá thông tin định tuyến, ta có thể phân loại các chiến lược định tuyến thành hai nhóm là định tuyến cập nhật định kỳ và định tuyến

cập nhật theo sự kiện Chiến lược định tuyến theo chu kỳ sẽ duy trì độ ổn định của mạng và quan trọng nhất là cho phép các nút mạng học được thông tin về hình trạng và trạng thái của toàn mạng Tuy nhiên, nếu sử dụng chu kỳ dài để cập nhật thông tin định tuyến, các nút mạng có thể chứa các thông tin định tuyến đã cũ và không chính xác Ngược lại, nếu chu kỳ cập nhật thông tin định tuyến là quá ngắn, sẽ có quá nhiều gói tin định tuyến được sinh ra và quảng bá trong mạng gây ra sự lãng phí về tài nguyên mạng

Đối với chiến lược định tuyến theo sự kiện, khi có một sự kiện diễn ra trong mạng, những nút mạng chịu tác động trực tiếp của các sự kiện này mới quảng bá các gói tin cập nhật thông tin định tuyến Vì vậy, thông tin về những thay đổi của trạng thái mạng sẽ nhanh chóng được cập nhật tới các nút mạng Tuy nhiên, khi topo mạng thay đổi với tốc độ nhanh, sẽ có rất nhiều các gói tin quảng bá cập nhật định tuyến được sinh ra làm lãng phí băng thông mạng và biến động đối với các con đường truyền dữ liệu

1.2.4 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp

Trong định tuyến phẳng, mọi nút trong mạng đều có cùng cấp độ và chức năng định tuyến Chiến lược định tuyến này tương đối đơn giản và hiệu quả đối với các mạng nhỏ Các giao thức AODV, DSDV, DSR là những giao thức điển hình sử dụng chiến lược định tuyến phẳng Đối với các mạng lớn, vấn đề gặp phải là lãng phí tài nguyên mạng dành cho việc xử lý và truyền các gói tin quảng bá thông tin định tuyến Chiến lược định tuyến phân cấp được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề này

Trong chiến lược định tuyến phân cấp, các nút mạng được tổ chức một cách link động thành các vùng Mỗi vùng lại có thể chia tiếp thành các vùng con theo kiểu cây phân cấp Cấu trúc phân cấp này nhằm duy trì tính ổn định tương đối của hình trạng mạng Sự di chuyển của thay đổi trạng thái của một nút mạng chỉ tác động trong phạm vi của vùng quản lý nó Chỉ có thông tin điều

khiển cấp cao mới được truyền giữa các vùng để giảm tải định tuyến trong mạng Mỗi nút mạng sẽ có thông tin đầy đủ về các nút mạng khác trong cùng vùng với nó bằng cách sử dụng kỹ thuật định tuyến tìm đường trước Nếu nút đích và nút nguồn của một yêu cầu truyền dữ liệu thuộc hai vùng khác nhau,

kỹ thuật định tuyến liên vùng theo yêu cầu sẽ được sử dụng Định tuyến liên vùng thường hoạt động theo cơ chế định tuyến theo yêu cầu hoặc cơ chế kết hợp giữa định tuyến tìm đường trước và định tuyến theo yêu cầu Các giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến phân cấp là HSR và CGSR

Hình 1.2 và Hình 1.3 minh họa cho các con đường được hình thành bởi các giao thức định tuyến hoạt động theo chiến lược định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp

Hình 1.2 Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phẳng

Hình 1.3 Đường truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến phân cấp

1.2.5 Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán

Trong chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung, mọi nút trong mạng sẽ duy trì thông tin đầy đủ về toàn bộ hình trạng mạng để có thể tự thực hiện các thuật toán tìm đường khi cần thiết Các giao thức định tuyến sử dụng chiến lược định tuyến này còn được gọi là các giao thức định tuyến kiểu trạng thái đường liên kết Giao thức OLSR là một giao thức định tuyến kiểu trạng thái đường liên kết tiêu biểu

Trong chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán phân tán, mọi nút mạng chỉ duy trì thông tin cục bộ về hình trạng mạng Khi có nhu cầu tìm đường, nhiều nút mạng sẽ cùng tham gia vào tiến trình tìm đường Chiến lược định tuyến này còn được gọi là định tuyến kiểu véc tơ khoảng cách AODV và DSDV là các giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến này

1.2.6 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng

Có một vài giao thức định tuyến đưa thông tin về toàn bộ con đường vào trong header của các gói tin dữ liệu để các nút trung gian có thể chuyển tiếp những gói tin này theo các thông tin định tuyến mà nó đọc được trong phần header Chiến lược định tuyến này được gọi là định tuyến nguồn Ưu điểm của chiến lược định tuyến này là các nút trung gian không cần duy trì thông tin định tuyến cập nhật để tìm đường cho các gói tin chúng chuyển tiếp vì chính trong các gói tin dữ liệu đã chứa thông tin phục vụ cho các quyết định định tuyến Tuy nhiên, chiến lược này lại có nhược điểm là làm tăng kích thước của các gói tin dữ liệu, đặc biệt với các con đường dài và các mạng có kích thước lớn dẫn đến việc lãng phí băng thông của mạng ad hoc Giao thức DSR là một trong những giao thức định tuyến nguồn tiêu biểu Hình 1.4 minh họa cơ chế chuyển tiếp gói tin của giao thức định tuyến nguồn

Hình 1.4 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến nguồn

Trong chiến lược định tuyến từng chặng, con đường tới một nút đích được phân bố trong các “chặng kế tiếp” của các nút thuộc con đường này Khi một nút nhận được một gói tin cần truyền tới một đích xác định, nó sẽ chuyển tiếp gói tin này tới chặng kế tiếp tương ứng trên con đường Vì mỗi nút mạng không

có thông tin đầy đủ về toàn bộ các liên kết trong mạng nên thuật toán định tuyến của các giao thức sử dụng chiến lược định tuyến này phải đảm bảo không chọn các con đường gây ra định tuyến lặp Giao thức AODV là một trong những giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến từng chặng Hình 1.5 minh họa

kỹ thuật chuyển tiếp gói tin của giao thức hoạt động theo chiến lược định tuyến từng chặng

Hình 1.5 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến từng chặng

1.2.7 Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường

Đối với các giao thức định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường tối ưu theo độ đo định tuyến của chúng được cài đặt vào bảng định tuyến sau mỗi tiến trình tìm đường mặc dù chúng có thể nhận được thông tin về nhiều

con đường tới cùng một đích trong cùng một tiến trình tìm đường Tại mỗi nút mạng, các gói tin dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo con đường thích hợp có trong bảng định tuyến Khi một liên kết trên con đường đó bị lỗi, nút mạng này phải khởi tạo lại tiến trình tìm đường

Để tiết kiệm tài nguyên hệ thống mạng trong các tiến trình tìm đường, các giao thức định tuyến đa đường cho phép tìm và cài đặt nhiều hơn một con đường không giao nhau tới cùng một đích vào bảng định tuyến của chúng Tại một nút, khi có yêu cầu chuyển tiếp dữ liệu tới nút đích, con đường tốt nhất sẽ được sử dụng và những con đường còn lại sẽ đóng vai trò là đường dự phòng Khi đường chính bị lỗi, các đường dự phòng sẽ được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin dữ liệu nếu chúng vẫn trong trạng thái còn hoạt động được Thêm vào đó, nếu cơ chế cân bằng tải được sử dụng, có thể phân lưu lượng dữ liệu cần truyền thành nhiều luồng được truyền song song trên các con đường tới cùng một đích

1.3 Vấn đề cân bằng tải trong định tuyến đa đường

Định tuyến trong mạng ad hoc di động (MANET) là một chủ đề đã được nghiên cứu rất nhiều trong thời gian qua Giao thức Định tuyến theo yêu cầu dạng véc tơ khoảng cách (AODV) [3] là một trong những giao thức phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong mạng MANET Định tuyến với khả năng nhận biết tắc nghẽn và thích ứng cũng đã được một số nhà nghiên cứu xem xét [5] Gần đây, một giao thức đã được đề xuất trong [8] dựa trên việc ước tính thời gian định tuyến (thay vì số chặng như trong AODV) theo các đường khác nhau trong giai đoạn khám phá đường và sau đó chọn đường có thời gian định tuyến nhỏ nhất Một giao thức định tuyến như vậy có tính đến độ trễ của liên kết dựa trên hiệu suất của kênh truyền cũng như độ trễ hàng đợi do tắc nghẽn tại các nút trung gian Cần lưu ý rằng thời gian định tuyến có thể sẽ tăng lên trong quá trình di chuyển trên một con đường

Hình 1.6 Nhiều đường đi được hình thành giữa một cặp nút nguồn-đích

Một lớp khác gồm các giao thức định tuyến trong MANET dựa trên việc tìm nhiều đường đi có thể giữa một cặp nút nguồn - đích xác định và sau đó phân phối tất cả các gói dữ liệu từ nguồn đến đích theo tất cả các đường tìm được Ngoài việc giảm thời gian định tuyến cho tất cả các gói tin thông qua nhiều đường đi, một ưu điểm khác của định tuyến đa đường là tăng độ tin cậy truyền thông Xét hai con đường không giao theo nút có độ tin cậy tương ứng

là r 1 và r 2 với 0 ≤ r 1 , r 2 ≤ 1 Độ tin cậy của một con đường được định nghĩa là

xác suất nhận chính xác thông điệp được gửi theo con đường đó Độ tin cậy

truyền thông kết hợp qua cả hai đường này là 1 - (1−r 1 )(1−r 2 ) = r 1 + r 2 - r 1 r 2

sẽ lớn hơn r 1 và r 2 Ví dụ: nếu r1 = 1 – 10-3 = 0,999 và r2 = 1 − 10-4 = 0,9999 thì

độ tin cậy kết hợp sẽ là 1 – 10-7 = 0,9999999

Giao thức cân bằng tải đa đường Fibonacci (FMLB) [13] là một giao thức định tuyến đa đường có cơ chế phân phối tải dữ liệu tổng (tất cả các gói dữ liệu) trên nhiều đường khác nhau theo các giá trị trong chuỗi Fibonacci để cân bằng tải Xét tình huống trong Hình 1.6 với S là nút nguồn và D là nút đích Có 3 đường đi có thể hình thành giữa nút S và nút D là: i) đường P1 qua các nút u1,

u2 và u3 với thời gian định tuyến T1, ii) đường P2 qua các nút u4, u5 và u6 với thời gian định tuyến T2 và iii) đường P3 qua các nút u7, u8 với thời gian định tuyến T3 Do sự khác biệt về khả năng truyền tải của kênh truyền và mức độ tắc nghẽn tại các nút khác nhau, giả sử rằng T1>T2>T3 Theo cơ chế hoạt động của

giao thức FMLB được trình bày trong [13], lấy ba giá trị liên tiếp F1, F2 và F3trong chuỗi Fibonacci sao cho cứ với F1 + F2 + F3 = 4 gói, có 1 gói (F1) được định tuyến với con đường có thời gian định tuyến lớn nhất (T1), 1 gói (F2) được định tuyến theo con đường có thời gian định tuyến lớn thứ hai(T2) và có 2 gói (F3) được định tuyến theo con đường có thời gian định tuyến nhỏ nhất (T3)

Tổng thời gian tối đa để định tuyến cho cả 4 gói này là max(T 1 , T 2 , 2T 3 )

1.4 Một số kỹ thuật định tuyến đa đường và cân bằng tải

Vấn đề định tuyến đa đường trong mạng MANET đã được nghiên cứu một cách rộng rãi trong thời gian qua Ngoài các nghiên cứu đã được đề cập ở trên [5,8,13], còn một số kết quả nghiên cứu khác đã được công bố Dưới đây là tóm tắt của một số kết quả nghiên cứu quan trọng

Ganjali và Keshavanian [14] đã nghiên cứu và đề xuất một mô hình để đánh giá mức độ cân bằng tải trong định tuyến đa đường, trong đó K đường đi ngắn nhất (K xác định trước) được chọn và tải dữ liệu sau đó được phân phối đồng đều giữa các đường này

Pearlman và các cộng sự [9] đã chứng minh tác động của đường đôi đối với hiệu suất về thời gian trễ của giao thức định tuyến đường thay thế APR trong các mạng ad-hoc Trong nhiều môi trường đa kênh truyền, APR có thể giảm 20% độ trễ đầu cuối cho các luồng dữ liệu lớn

Wang và các cộng sự [7] đã đề xuất một giao thức định tuyến đa đường kiểu định tuyến nguồn MSR cho mạng ad hoc, đây là một giao thức mở rộng của giao thức định tuyến nguồn động DSR Dựa trên phép đo của công cụ RTT,

họ đã đề xuất một sơ đồ để phân phối tải dữ liệu qua nhiều đường Kết quả từ nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng giao thức MSR làm giảm tắc nghẽn mạng

và tăng khả năng chịu lỗi đường tốt hơn

Tác giả Parissidis và các cộng sự [6] đã trình bày kết quả của một nghiên cứu dựa trên mô phỏng đối với ba giao thức định tuyến đa đường SMR,

AOMDV và AODV_Multipath Kết quả nghiên cứu mô phỏng của họ cho thấy giao thức AOMDV đạt được hiệu suất tốt nhất trong các tình huống mạng có mức độ di động cao, trong khi giao thức AODV_Multipath có hiệu năng tốt hơn trong các tình huống mạng có tính di động thấp và mật độ nút cao Giao thức SMR hoạt động tốt nhất trong các mạng có mật độ nút thấp Tuy nhiên, khi mật độ nút tăng lên, hiệu năng của các giao thức này đều bị suy giảm Các tác giả Pham và Perreau [10] đã phân tích và so sánh về chi phí, khả năng phân phối lưu lượng và thông lượng kết nối các giao thức định tuyến đơn đường đối với các giao thức định tuyến đa đường theo yêu cầu có kết hợp với cơ chế cân bằng tải trong các mạng ad hoc Kết quả nghiên cứu của họ cho thấy giao thức định tuyến đa đường đòi hỏi nhiều chi phí hơn nhưng có hiệu năng tốt hơn về vấn đề mức độ tắc nghẽn và khả năng truyền tải so với giao thức định tuyến đơn đường truyền thống, nếu đường đi có độ dài nằm trong một giới hạn nhất định Các kết quả phân tích cũng đã được củng cố thêm bằng mô phỏng Tác giả Nasipuri và các cộng sự [1] đã nghiên cứu cải tiến giao thức Định tuyến nguồn động DSR và họ đã cho thấy, bằng cách sử dụng cơ chế định tuyến

đa đường một cách thông minh, có thể làm giảm tần suất các cơn bão truy vấn

Họ đã phát triển một khung mô hình phân tích để xác định tần suất tương đối của các cơn bão truy vấn theo các kỹ thuật khác nhau Mô hình này cho thấy mặc dù về mặt lý thuyết, định tuyến đa đường tốt hơn đáng kể so với định tuyến đơn đường nhưng mức độ vượt trội về hiệu năng của giao thức là không nhiều đối với số lượng đường ít và các con đường dài Họ cũng chỉ ra rằng kỹ thuật

để tất cả các nút trung gian trên đường chính có các đường thay thế có hiệu suất tốt hơn một cách đáng kể so với kỹ thuật chỉ để nút nguồn có đường thay thế

1.5 Tổng kết Chương 1

Mạng MANET có những đặc điểm khác biệt rõ ràng so với mạng không dây truyền thống thể hiện ở cấu trúc động, chất lượng liên kết và năng lượng

pin của các nút mạng hạn chế, độ bảo mật không cao về mặt vật lý Mạng MANET đã có nhiều ứng dụng trong đời sống, kinh tế, xã hội của con người

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 khai công nghệ mạng này Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức của mạng MANET, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần đảm bảo được yêu cầu tối thiểu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp

Các giao thức định tuyến có thể sử dụng một trong nhiều chiến lược định tuyến khác nhau Các chiến lược định tuyến đối lập nhau được phân chia theo các tiêu chí khác nhau bao gồm: định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu, định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện, định tuyến phẳng

và định tuyến phân cấp, định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng, định tuyến tập trung và định tuyến phân tán, định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ TRÊN CƠ SỞ ĐỊNH TUYẾN

ĐA ĐƯỜNG VÀ CÂN BẰNG TẢI 2.1 Ý tưởng thiết kế của giao thức LCMR

Một trong các giao thức định tuyến hiệu quả trên cơ sở định tuyến đa đường và cân bằng tải là giao thức LCMR Giao thức định tuyến LCMR được

đề xuất trong [2] còn được gọi là giao thức định tuyến đa đường dựa trên bộ số chung nhỏ nhất được đề xuất áp dụng trong các mạng MANET với tải lưu lượng được cân bằng qua các đường khác nhau Ý tưởng thiết kế của giao thức LCMR được mô tả như sau: Đầu tiên, thời gian định tuyến của mỗi con đường trong

số các con đường giữa một cặp nút nguồn-đích cho trước sẽ được ước lượng Sau đó, các gói dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích sẽ được phân phối qua các con đường này sao cho số gói dữ liệu được gửi qua một con đường tỷ lệ nghịch với thời gian định tuyến qua con đường đó Chiến lược phân phối này giữ cho tải dữ liệu được cân bằng qua tất cả các con đường để rút ngắn thời gian định tuyến tổng thể cho việc gửi các gói dữ liệu Theo chiến lược này, bội số chung nhỏ nhất (L) của thời gian định tuyến qua các con đường sẽ được xác định để tìm số lượng gói dữ liệu được gửi qua một con đường Lấy giá trị L này chia cho thời gian định tuyến qua mỗi con đường, ta sẽ nhận được số lượng gói tương đối được gửi qua con đường đó Cách làm này sẽ cân bằng được tải dữ liệu vì tất cả các gói dữ liệu có thể được gửi qua nhiều con đường với thời gian định tuyến gần như bằng nhau qua mỗi con đường

Ví dụ, giữa một nút nguồn và một nút đích, có ba con đường P1, P2 và P3với thời gian định tuyến tương ứng là 40, 30 và 20 đơn vị thời gian Như vậy, bội số chung nhỏ nhất của 40, 30 và 20 là L=120 Ta chia 120 cho 40, 30 và 20

sẽ có được các giá trị tương ứng là 3, 4 và 6 Do đó, với mỗi bộ 3 + 4 + 6 = 13 gói dữ liệu, có 3 gói sẽ được gửi qua đường P1, 4 gói được gửi theo đường P2

và 6 gói được gửi theo đường P3 để thời gian định tuyến qua mỗi con đường là

120 đơn vị thời gian

Cần lưu ý rằng định nghĩa của bài toán này là tương tự như bài toán lập lịch cho N tác vụ độc lập theo hệ số đồng nhất k đã được biết đến với độ phức tạp NP Trong nghiên cứu [2], cả lý thuyết và kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng giao thức định tuyến đa đường LCMR được đề xuất thực hiện tốt hơn giao thức đa đường FMLB [13] Lý do trực quan của sự cải thiện về thời gian định tuyến của giao thức LCMR được đề xuất là kỹ thuật phân phối tải của giao thức LCMR có xét đến yếu tố thời gian định tuyến thực qua các đường khác nhau, trong khi giao thức FMLB chưa xét đến Tỷ lệ của thời gian định tuyến thực qua các con đường khác nhau có thể khác nhiều so với tỷ lệ của các số Fibonacci tương ứng Giao thức định tuyến LCMR được đề xuất cũng hoạt động tốt hơn giao thức MAODV [14] Thay vì gửi số gói dữ liệu bằng nhau qua các đường tìm được như trong giao thức MAODV, giao thức LCMR gửi được nhiều gói

dữ liệu hơn (giả sử tất cả các gói có cùng kích thước) qua các đường có thời gian định tuyến

2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức LCMR

2.2.1 Mô tả cơ chế hoạt động

Giao thức định tuyến đa đường có cân bằng tải LCMR hoạt động dựa trên việc khám phá các đường có thể có từ một nút nguồn đến một nút đích kèm theo thời gian định tuyến qua chúng Việc khám phá các đường có thể giữa một cặp nút nguồn-đích được thực hiện theo cách tương tự như trong giao thức định tuyến AODV với hai khác biệt chính là số bước chặng được thay thế bởi thời gian định tuyến và cơ chế khám phá nhiều đường (nếu chúng tồn tại) thay vì chỉ khám phá một đường Mặc dù cấu trúc liên kết mạng cũng như lưu lượng trong mạng có thể thay đổi trong tình huống động, quá trình khám phá tuyến này được giả sử là sẽ hoàn thành đủ nhanh để trong quá trình khám phá tuyến

này, cả cấu trúc liên kết mạng và lưu lượng trong mạng đều không thay đổi Đầu tiên, nút nguồn phát ra một thông điệp yêu cầu tìm đường RREQ với các giá trị ID nguồn, ID đích, số thứ tự RREQ, thời gian tạo ra thông điệp RREQ

và danh sách các nút trung gian đi qua Khi nhận được gói RREQ, nút đích sẽ gửi thông điệp trả lời đường RREP quay trở lại nút nguồn Sau khi nhận được thông điệp RREP, nút nguồn không chỉ xác định được đường đi mà còn xác định được cả giá trị thời gian di chuyển của gói tin từ nút nguồn đến nút đích qua con đường đó Để đặt giới hạn cho các đường có thể có, nút nguồn chỉ đợi

trong khoảng thời gian timeout tối đa T max tính từ khi gửi đi thông điệp RREQ

để nhận lại cả các thông điệp trả lời RREP từ nút đích tương ứng với số thứ tự

đã cho của thông điệp RREQ được gửi theo các đường khác nhau

Giả sử, có k con đường là P P1, , ,2 P được phát hiện với thời gian truyền k

ước tính tương ứng là T T1, , ,2 T sao cho k T1  T2 T k Đặt

1 2( , , , )k

n n Với n gói dữ liệu liên tiếp, kế hoạch truyền các gói tin n i qua các đường P i được đề xuất như sau: các gói dữ liệu

được gửi theo các đường P P1, , ,2 P theo tỷ lệ k n n1: 2: :n k Do đó, tổng thời gian

truyền n gói dữ liệu theo các k đường này được xác định là max( n Ti i)  L Nếu tổng số gói dữ liệu được gửi là N  pn r  , 0   r n với những số nguyên p  0, thì các pn gói đầu tiên sẽ được gửi theo các đường P P1, , ,2 P k

với tỷ lệ n n1: 2::n và r gói còn lại được gửi như sau: k r n1

n



  gói tin sẽ chỉ được gửi theo đường Pk

Để triển khai giao thức LCMR, có ba thuật toán được đề xuất bao gồm: Thuật toán tại nút nguồn (Thuật toán 1), Thuật toán tại nút trung gian (Thuật toán 2) và Thuật toán tại nút đích (Thuật toán 3)

2.2.2 Thuật toán tại nút nguồn

Trong Thuật toán 1 ở trên, nút nguồn sẽ sử dụng một bộ đếm thời gian T

để kiểm soát thời gian tìm đường không vượt quá mức Tmax cho trước, khi một

Thuật toán 1: Thuật toán tại nút nguồn

Input: Nút đích DA

Output: RREQ, các gói dữ liệu

/* Khởi tạo đường */

2 Khởi tạo đồng hồ thời gian thực T = 0;

3 Quảng bá gói RREQ chứa thông tin nút SA và DA;

6 Thu nhận các gói RREP và tạo danh sách đường có thông tin P i và T i ;

 ; /* Truyền dữ liệu */

11 while tất cả các gói dữ liệu chưa được gửi hết do

12 Gửi gói dữ liệu và đợi một khoảng thời gian δT; // theo tỉ lệ các giá trị n i

13 if nhận được gói ACK trong khoảng thời gian δT then

14 Gửi gói dữ liệu tiếp theo;

15 else

16 Gửi lại gói dữ liệu;

nút nhận được yêu cầu truyền dữ liệu Khi nút nguồn có yêu cầu truyền dữ liệu tới một nút đích, giả sử thông tin về các đường đi chưa có trong bảng định tuyến của nút nguồn, nó sẽ kích hoạt tiến trình tìm đường

Tiến trình tìm đường được bắt đầu bằng việc khởi tạo bộ đếm thời gian T

có giá trị bằng 0 (dòng 2), sau đó nó quảng bá gói tìm đường RREQ tới các nút lân cận Nút nguồn chỉ đợi nhận lại gói trả lời đường trong khoảng thời gian T nhỏ hơn giá trị ngưỡng Tmax (dòng 4) Khi nút nguồn nhận được gói RREP, nó

sẽ bổ sung thông tin về con đường này vào bảng danh sách đường có chứa thông tin về đường đi và thời gian định tuyến ước lượng (Ti) tương ứng với đường đó (dòng 6)

Sau khi danh sách đường tới cùng một nút đích đã được tạo, nút nguồn thực hiện việc tính giá trị bội số chung nhỏ nhất L từ các giá trị Ti của các đường trong danh sách (dòng 9) Tỉ lệ số gói tin được gửi theo các đường trong danh sách sau đó sẽ được xác định theo công thức ni  L T / i (dòng 10)

Quá trình truyền dữ liệu theo kỹ thuật cân bằng tải qua các đường trong danh sách đường sẽ được thực hiện ở bước tiếp theo (dòng 11-16) Các gói tin

sẽ lần lượt được gửi theo các đường với khoảng thời gian chờ tương ứng để gửi gói tiếp theo là T(dòng 12) Giá trị của T được xác định từ giá trị n i tương ứng với con đường Nếu trong khoảng thời gian T tính từ khi nút nguồn bắt đầu gửi gói dữ liệu đi, nút nguồn nhận được gói ACK từ nút đích thì nó sẽ gửi gói dữ liệu tiếp theo Ngược lại, nó sẽ gửi lại gói dữ liệu hiện tại (dòng 13-16)

2.2.3 Thuật toán tại nút trung gian

Trong Thuật toán 2, khi một nút trung gian nhận được một gói tin, đầu tiên nó sẽ kiểm tra xem nó có phải là nút nguồn hoặc nút đích của gói tin hay không (Dòng 1) Nếu đúng thì sẽ chuyển sang áp dụng Thuật toán 1 (nếu nó là nút nguồn) hoặc Thuật toán 3 (nếu nó là nút đích) Ngược lại, nó sẽ kiểm tra và phân loại gói tin nhận được Từ đó, sẽ có các hành động tương ứng với loại gói tin nhận được theo nguyên tắc như sau:

- Nếu gói nhận được là gói RREQ, nút trung gian hiện tại sẽ tiếp tục quảng bá gói RREQ kèm theo ID của mình (dòng 2-3)

- Nếu gói nhận được là gói RREP, nút trung gian hiện tại sẽ tiếp tục gửi gói RREP kèm theo ID của mình (dòng 4-5)

- Nếu gói nhận được là gói dữ liệu, nút trung gian sẽ chuyển tiếp gói nhận được theo thông tin trong gói và thông tin đường đi trong bảng định tuyến của mình (dòng 6-7)

- Nếu gói nhận được là ACK hoặc NACK của nút đích, nút hiện tại chuyển tiếp gói tới các nút tiếp theo trên con đường tới nút nguồn (dòng 8-11)

Thuật toán 2: Thuật toán tại nút trung gian

Input: Các thông điệp định tuyến nhận được

Output: Các thông điệp định tuyến truyền đi

1 if (SA <> ID nút hiện tại) and (DA <> ID nút hiện tại) then

2 if nhận được gói RREQ then

3 Gửi gói RREQ kèm ID nút hiện tại;

4 else if nhận được gói RREP then

5 Gửi gói RREP kèm ID nút hiện tại;

6 else if nhận được gói dữ liệu then

7 Chuyển tiếp gói dữ liệu;

8 else if nhận được gói ACK then

9 Chuyển tiếp gói ACK;

10 else if nhận được gói NACK then

11 Chuyển tiếp gói NACK;

2.2.4 Thuật toán tại nút đích

Các nút đích áp dụng Thuật toán 3 để trong quá trình hoạt động của giao thức định tuyến LCMR Khi một nút nhận được một gói tin, nếu giá trị địa chỉ đích trong gói tin trùng với ID của nút thì nút hiện tại sẽ là nút đích của gói tin (dòng 1) Tiếp theo nút đích sẽ kiểm tra và phân loại gói tin nhận được Nếu nút đích nhận được gói RREQ, nó sẽ gửi gói RREP để trả lời truy vấn đường từ nút nguồn Nếu gói nhận được là gói dữ liệu và nút đích đã nhận thành công gói dữ liệu thì nó sẽ gửi gói ACK Ngược lại, nút đích sẽ gửi gói NACK tới nút nguồn

2.3 Phân tích hiệu năng giao thức LCMR theo lý thuyết

Hiệu năng của giao thức LCMR sẽ được phân tích về mặt lý thuyết dựa trên giả định rằng tất cả các đường cùng cặp nút nguồn – đích được sử dụng để định tuyến dữ liệu là các đường độc lập theo nút Trong thực tế, các đường này

có thể không phải luôn luôn là các đường độc lập theo nút hoặc độc lập theo liên kết Trong những trường hợp này, thời gian định tuyến có thể sẽ lớn hơn giá trị tương ứng được ước lượng theo lý thuyết Những tình huống này sẽ được xét đến qua phần mô phỏng, được trình bày ở phần sau

Thuật toán 3: Thuật toán tại nút đích

Input: RREQ, gói dữ liệu

Output: RREP, ACK, NACK

/* Khởi tạo đường */

3 Gửi gói RREP cho nút đã gửi gói RREQ tới nút hiện tại;

/* Truyền dữ liệu */

5 Gửi gói ACK;

7 Gửi gói NACK;