Các thiết bị di động trong mạng kết nối và liên lạc với điểmtruy cập gần nhất nằm trong bán kính truyền thông của nó; thứ hai là mạngAdhoc, là một tập hợp các nút mạng di động không d
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VN
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: TRẦN ĐÌNH HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN HỒNG QUÂN
HÀ NỘI - 2010
Luận văn được hoàn thành tại:
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thôngTập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam
Trang 2Người hướng dẫn khoa học:
Vào lúc: giờ ….ngày…….tháng…… năm 2010
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3GIỚI THIỆU
Được sự định hướng của Thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Quân, tôi đãnhận đề tài: “Đánh giá hiệu năng của các giao thức định tuyến mạngAdhoc” Adhoc có nhiều điểm khác biệt so với mạng di động tế bào nêngiao thức định tuyến phải đáp ứng thêm nhiều yêu cầu mới Thứ nhất làtrong mạng Adhoc tính di động của các nút làm cho các thành phần cũngnhư cấu hình mạng thay đổi thường xuyên Thứ hai là do khả năng của cácliên kết không dây hay thay đổi và không dự đoán được làm cho việc mấtgói tin xảy ra thường xuyên Hơn nữa, tính quảng bá của môi trườngkhông dây khiến năng lượng sóng bị giảm nhanh, làm cho khoảng cáchtruyền bị giới hạn gây ra vấn đề đầu cuối bị che khuất hoặc chồng lấnvùng phủ Ngoài ra, các nút di động dùng nguồn pin, tài nguyên băngthông và tính toán hạn chế và yêu cầu cơ chế định tuyến hiệu quả Chính
vì thế giao thức định tuyến đóng vai trò quan trọng trong vận hành mạngAdhoc
Luận văn gồm 3 chương như sau:
Chương 1 Tổng quan về mạng Ad hoc di động
1.1 Giới thiệu chung
Mạng không dây có thể chia làm hai loại chính: thứ nhất là mạng hạtầng có các cổng kết nối hữu tuyến và cố định thường được gọi là cácđiểm truy cập Các thiết bị di động trong mạng kết nối và liên lạc với điểmtruy cập gần nhất nằm trong bán kính truyền thông của nó; thứ hai là mạngAdhoc, là một tập hợp các nút mạng di động không dây nằm phân tán vềmặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc
hạ tầng mạng có sẵn hay sự quản lý tập trung nào Các nút mạng liên lạcvới nhau qua môi trường vô tuyến mà không cần các bộ định tuyến cốđịnh vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động
có trang bị bộ thu phát không dây Các bộ định tuyến tự do di chuyển mộtcách ngẫu nhiên và tự tổ chức một cách tùy tiện vì vậy cấu hình không dâycủa mạng thay đổi nhanh chóng và không thể đoán trước Mạng như vậy
có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với các mạng hạ tầng tạo thànhmạng toàn cầu
1.2 Các đặc điểm của mạng Ad hoc
Trang 4Chi phí: có thể giảm khi sử dụng kỹ thuật không dây, thiết bị 802.11 cóthể dùng để tạo cầu nối không dây giữa hai tòa nhà; để thiết lập một cầunối không dây cần những chi phí ban đầu như thiết bị ngoài trời, cácđiểm truy cập và những giao tiếp không dây
Mạng Adhoc bị giới hạn về khả năng của CPU, bộ nhớ, dung lượng pin
và băng thông Khi năng lượng sử dụng bị giới hạn kéo theo thời gianvề khả năng truyền dẫn
1.3 Ứng dụng của mạng Ad hoc
Dịch vụ khẩn cấp: Bất kỳ đâu khi có trường hợp khẩn cấp xảy ra đềucần có sự kết hợp các nhân viên cứu hộ Giải pháp thông thường làdùng thiết bị không dây
Hội nghị: Trong hội nghị, hội thảo cần trao đổi thông tin giữa các đại
biểu hoặc với hội nghị khác Đây là một nhu cầu lớn trong thời đại pháttriển nhanh về thông tin như hiện nay, khi mà giải pháp home networkchưa thật sự sẵn sàng
Mạng gia đình: Việc sử dụng kỹ thuật của Adhoc cho phép chúng tự
cấu hình và hình thành mạng, hơn nữa, nếu ta có nhu cầu sử dụng máytính ở công sở, trường học thì khối lượng thông tin quản lý mạng giảmxuống rõ rệt
Mạng cá nhân, Mạng cảm biến
Hệ thống nhúng: Ngày càng có nhiều máy móc cần kết nối với những
vật xung quanh kéo theo nhu cầu của mạng Adhoc
1.4 Tóm tắt chương:
Chương 1 của luận văn này đã giới thiệu tổng quan về mạng ad hoc.Với những ưu điểm triển khai nhanh chóng, tự cấu hình và đáp ứng các
Trang 5đặc điểm di động mạng Adhoc hứa hẹn mang đến sự phổ biến rộng rãitrong nhiều lĩnh vực Tuy nhiên vẫn còn nhiều khó khăn thách thức về mặtcông nghệ cần giải quyết như topo mạng thay đổi, vấn đề tiết kiệm nănglượng của các node, lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp… Xét thấyvấn đề định tuyến trong mạng Adhoc là vấn đề rất đáng quan tâm vì nóquyết định đến hiệu năng của mạng, vấn đề đó đã đã làm định hướng choviệc nghiên cứu các chương tiếp theo
Chương 2 Giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc
2.1 Các yêu cầu cho giao thức định tuyến:
Hỗ trợ các liên kết một chiều: Sử dụng liên kết này và liên kết hai chiều
sẽ làm tăng chất lượng hoạt động của giao thức định tuyến
Tỷ lệ gói nhận được: Là tỷ lệ giữa số gói được nhận bởi nút mạng đích
và số gói được gửi đi từ lớp ứng dụng
Trang 6Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối: Thông lượng là khối lượngthông tin truyền trên đường truyền trong một đơn vị thời gian (Kbps).-
- Đường truyền dẫn tối ưu: Là đường truyền dẫn ngắn nhất giữa hai nútmạng
2.3 Phân loại giao thức định tuyến:
2.3.1 Định tuyến theo vector khoảng cách theo yêu cầu AODV.
AODV sử dụng nhiều dạng bản tin khác nhau để phát hiện và duy trìliên kết trong mạng Khi nút mạng muốn sử dụng hoặc tìm đường địnhtuyến đến nút mạng khác, nó quảng bá bản tin yêu cầu đường định tuyếnRREQ đến tất cả nút mạng gần nó Bản tin RREQ này truyền trên mạngđến khi nó đến được nút mạng đích hoặc một nút mạng có đường địnhtuyến đến đích Sau đó, bản tin RREP sẽ được gửi lại thông báo với nútnguồn
Ngoài ra, AODV còn sử dụng bản tin HELLO để quảng bá tới nútmạng bên cạnh Bản tin này cho biết sự hiện diện của nút mạng nguồntrong mạng và nút mạng gần đó sử dụng đường định tuyến thông qua nútmạng nguồn phát tin quảng bá, đường định tuyến đó là hợp lệ Nếu nút
Trang 7mạng không nhận được bản tin HELLO từ nút mạng A nào đó thì có thểcoi nút mạng này đã di chuyển ra ngoài phạm vi liên lạc với nút A và liênkết đến nút A coi như bị phá vỡ và nó cũng thông báo cho nút mạng liênquan thông qua bản tin thông báo kết quả bị hỏng (RREP).
2.3.2 Định tuyến theo vector khoảng cách tuần tự đích DSDV.
Mỗi nút đều có thông tin về đường đi tới các nút khác trong mạng dựavào bảng định tuyến Bảng định tuyến gồm những thông tin như: Địa chỉ
IP đích, số trình tự đich, địa chỉ bước truyền kế tiếp, số bước truyền, vàthời gian thiết lập DSDV sử dụng cả bảng cập nhật định kỳ theo sự kiện,ứng với khoảng thời gian nhất định mỗi nút sẽ gửi quảng bá cho các nút kếcận của nó số tuần tự hiện tại của nó để các nút khác cập nhật định tuyến Sau khi nhận dự liệu cập nhật, các nút kế cận sẽ sử dụng thông tin này
để tính toán các tuyến rồi cập nhật vào bảng định tuyến của mình nhờphương pháp lặp vector khoảng cách
Hơn nữa, khi cập nhật định kỳ, DSDV cũng sử dụng cập nhật sự kiệncho tất cả các liên kết thay đổi như liên kết bị hỏng, nút di chuyển… cậpnhật sự kiện này đảm bảo cho việc phát hiện ra những thay đổi của đườngtruyền hay topo mạng
Nếu một nút có nhiều tuyến có thể đi tới đích thì nút đó sẽ lựa chọnđường dẫn hợp lý nhất tới đích, điều này đảm bảo cho sử dụng hiệu quảcác thông tin định tuyến mới nhất trong bảng định tuyến
2.3.3 Giao thức định tuyến nguồn động DSR:
Cho phép nút mạng có thể tìm kiếm đường định tuyến thông qua nhiềunút mạng đến bất kỳ nút mạng đích nào, trong tiêu đề của mỗi gói tin đãchứa danh sách, theo thứ tự, nút mạng mà gói tin phải đi qua để đến nútmạng đích DSR không sử dụng bản tin định kỳ nên giảm được băngthông mạng, bảo tồn được năng lượng pin và giảm được thông tin địnhtuyến Để thực hiện những việc DSR dựa trên sự hỗ trợ của lớp MAC.DSR cũng sử dụng hai cơ chế cơ bản là tìm kiếm đường và cập nhậtđường định tuyến
2.3.4 Định tuyến theo trạng thái đường liên kết tối ưu - OLSR:
Giao thức OLSR là sự biến đổi của định tuyến trạng thái đường liên kếttruyền thống, nó giúp cho quá trình thao tác trong mạng Adhoc được cảithiện Đặc tính nổi bật của OLSR là nó sử dụng bộ chuyển tiếp đa điểmMPRs để hạn chế tràn ngập dung lượng mạng và dụng lượng cập nhậttrạng thái đường liên kết Mỗi nút sẽ tính lượng MPRs của nó từ khi thiết
Trang 8lập các hàng xóm Bộ MPR được lựa chọn khi một nút có nhu cầu quảng
bá một tin nhắn, sự truyền tin nhắn bằng việc thiết lập MPR sẽ đảm bảorằng tin nhắn được nhận bởi một nút có số chặn bằng 2 Kể từ đây trở đi,bất kỳ khi nào có một nút truyền quảng bá đi một thông điệp thì chỉ nhữngnút lân cận trong MPR mới được truyền lại thông điệp đó Các nút lân cậnkhác không nằm trong MPR chỉ xử lý thông điệp mà không truyền quảng
bá lại nó Hơn thế nữa, khi thông tin định tuyến trạng thái đường liên kếtthay đổi một nút chỉ liệt kê được những kết nối có nút hàng xóm của nó
2.3.5 Giao thức định tuyến vùng ZRP:
Giao thức ZRP là giao thức sử dụng hỗn hợp hai kiểu tương tác và dựđoán trước Nó chia mạng thành nhiều vùng định tuyến và chỉ rõ hai giaothức riêng biệt hoạt động giữa các vùng định tuyến
Giao thức IARP hoạt động trong các vùng định tuyến và lấy đượckhoảng cách ngắn nhất và đường định tuyến đến tất cả nút mạng trongvùng Khi có sự thay đổi cấu trúc mạng thì thông tin cập nhật chỉ đượctruyền trong các vùng định tuyến liên quan chứ không phải toàn mạng.Giao thức thứ hai, IERP là giao thức tương tác, được sử dụng để tìmđường định tuyến giữa các vùng định tuyến, khi nút mạng đích không nằmtrong vùng định tuyến Giao thức sẽ quảng bá RREQ đến tất cả nút mạngnằm ở đường biên trong vùng định tuyến Thủ tục này được lặp lại chođến khi nút mạng yêu cầu được tìm thấy và bản tin trả lời được gửi đếnnút nguồn
2.3.6 So sánh các giao thức định tuyến
Trang 9Mặc dù theo phân tích lý thuyết đã có sự so sánh giữa các giao thứcđịnh tuyến cho mạng Adhoc Tuy nhiên để trực quan hơn chương 3 tác giả
sẽ tập trung vào xây dựng chương trình để mô phỏng đánh giá hiệu năngcủa các giao thức
Chương 3: Xây dựng chương trình để đánh giá hiệu năng của các giao thức định tuyến
3.1 Giới thiệu bộ mô phỏng NS2
NS là sự kiện mô phỏng mạng theo sự kiện rời rạc được phát triển ởtrường đại học Berkely bang California đầu tiên bắt nguồn từ dự án VINTđược bộ quốc phòng Mỹ cung cấp kinh phí phát triển NS được phát triển
từ bộ mô phỏng REAL của S.Keshav từ năm 1989, còn REAL thì bắtnguồn từ bộ mô phỏng NEST Các phiên bản NS version 2 ra đời sau năm
1997 và từ đó người ta thường gọi là bộ mô phỏng NS 2 NS 2 được viếttrên hai ngôn ngữ hướng đối tượng C++ và Otcl C++ được sử dụng đểxây dựng phần nhân của bộ mô phỏng để đảm bảo tốc độ thực hiện cao vàthay đổi OTcl được sử dụng để xây dựng phần giao tiếp với người sửdụng giúp người dùng dể dàng thiết lập cấu hình mạng, lựa chọn giao thứctruyền thông, thiết lập các nguồn sinh lưu lượng, các mô hình sinh lỗi…
NS 2 là kịch bản hướng đối tượng, bộ thông dịch nó chứa bộ lập lịchcác sự kiện và thư viện module thiết lập mạng Nói cách khác người dùng
NS lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản Otcl lập lịch các sự kiện trên một đồhình mạng cụ thể sau đó chạy mô phỏng mạng, thông qua trình thông dịchtrong NS 2 để đưa ra 2 loại tệp chính: đó là tệp vết (Trace file) có phần mởrộng là *.tr nó ghi lại các sự kiện mạng Tuy nhiên người dùng có thể dùng
Trang 10các công cụ để lọc bớt các sự kiện Loại tệp thứ hai có tên mở rộng *.nam
nó có khuôn dạng tương tự tệp vết, được sử dụng làm đầu vào cho chươngtrình hiển thị kết quả mô phỏng dưới dạng đồ họa
3.2 Các đặc điểm chính của NS 2
Khả năng trừu tượng hóa: giúp nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiềumức khác nhau, từ hàng vi đơn lẽ của một giao thức đến kết hợp của nhiềuluồng dữ liệu và tương tác của nhiều giao thức
Khẳ năng tương tác với mạng thực: Cho phép tương tác với các nútmạng thực đang hoạt động thông qua việc thiết lập lưu lượng cho các liênkết mạng
Khả năng tạo ngữ cảnh: cho phép tạo các hiện trạng mạng phức tạp vàcác sự kiện động một cách dễ dàng
Khẳ năng hiện thị hóa: cho phép quan sát trực quan hoạt động của cácnút mạng, lưu lượng, tỷ lệ lỗi …
Khả năng mở rộng được: cho phép mở rộng các chức năng mới mộtcách dễ dàng
3.3 Thông số kịch bản:
Các thông số kịch bản được tính toán từ dữ liệu đầu vào của mô phỏng,hoặc có thể là biến đầu vào Nó không phụ thuộc vào giao thức định tuyếnhoặc quá trình mô phỏng
3.3.1 Thông số di chuyển
Đánh giá sự chuyển động trong mạng bằng cách tính toán di chuyểncủa nút mạng liên quan giữa các cặp nút mạng trên mạng Thông số nàytương ứng với số thay đổi liên kết trong mô hình khi mà nút mạng dichuyển theo mô hình định trước
Chuyển động bao gồm cả vận tốc và hướng di chuyển, nó được tính vớicùng tốc độ mẫu
60, 120s
Trang 113.5 Khởi tạo mô phỏng:
Luận văn tập trung nghiên cứu 03 kịch bản sau:
Số nút mạng: không đổi trong toàn bộ quá trình mô phỏng, ta sử dụng
50 nút mạng trong kịch bản mô phỏng
Simulation results
NAM Network animator Trace file
Trang 12scen [site size] [num nodes] [pause time] [max velocity] [scen num]
cbr [num nodes] [num connections] [pkts per sec] [pkt size]
Kết quả cho ra hai file *.tr và *.nam, nếu dùng lệnh nam filename.nam
cho giao thức định tuyến AODV ta được đồ hình
3.6.1 Mô phỏng di chuyển trong mạng kịch bản 1:
Sử dụng file giao thức định tuyến: aodv.tcl; dsdv.tcl; dsr.tcl
Sử dụng file thông số kịch bản lưu lượng: cbr-50-10-5-512
Sử dụng file thông số kịch bản di chuyển: scen 670*670-50-0-20-1;scen 670*670-50-30-20-1; scen 670*670-50-60-20-1; scen 670*670-50-120-20-1;
Kích cỡ môi trường mô phỏng 670×670m
Trang 13Loại lưu lượng CBR
4 giá trị của thời gian tạm dừng 0, 30, 60, 120s
DSR và AODV có khả năng chuyển tiếp gói tin tốt, trên 85% gói tin ởtốc độ cao và hầu hết khá ổn định Với DSDV tỷ lệ gói tin nhận được thấphơn so với hai giao thức trên (70%) khi thông số di chuyển cao Đồngthời, khi thông số di chuyển cao việc xây dựng bảng định tuyến đối vớigiao thức khá khó khăn, dẫn đến tỷ lệ nhận gói tin thấp như vậy Khithông số di chuyển thấp, tỷ lệ gói tin nhận được của DSDV cũng khá cao,trên 90%
Đọ trễ trung bình khi chuyển tiếp gói tin ở DSDV cao hơn khi so sánhvới cả DSR và AODV Lý do bởi vị DSR và AODV là hai giao thức địnhtuyến theo yêu cầu, nên nó dễ dàng thích nghi khi thông số di chuyển caohoặc bình thường DSDV có độ trễ cao khi thông số di chuyển của mạnglớn Khi thông số di chuyển của mạng tăng, DSDV rất khó để có thể hội
tụ, do đó độ trễ trung bình của giao thức tương đối cao (tỷ lệ chuyển tiếpgói tin chỉ khoảng 70%)
Trang 14Khi các node ở thông số di chuyển thấp, thông lượng trung bình củacác giao thức cũng tương tự nhau Khi thông số di chuyển tăng lên, ta cóthể thấy thông lượng của DSDV thấp hơn hẳn so với 2 giao thức kia, điều
đó có thể giải thích vì sao tỷ lệ nhận gói tin của DSDV tại thời điểm nàychỉ khoảng 70%
Trang 15Lượng bản tin định tuyến của DSDV khá ổn định, trong khi đó sốlượng bản tin định tuyến của AODV và DSR có sự khác nhau Điều đó cóthể lý giải như sau, DSDV là giao thức định tuyến dựa trên bảng địnhtuyến, do đó nó luôn cập nhật thông tin định tuyến theo chu kỳ, nên số góitin định tuyến rất ổn định Trong khi đó, AODV và DSR là hai giao thứcđịnh tuyến theo yêu cầu, nhưng lại có sự khác nhau DSR chỉ khởi tạothông tin định tuyến khi có yêu cầu kết nối, do đó số lượng bản tin địnhtuyến của DSR nhỏ Tuy nhiên AODV cũng khởi tạo thông tin định tuyếnkhi có yêu cầu, nhưng giao thức này vẫn sử dụng các gói tin Hello đểquảng bá tới nút bên cạnh Điều này dẫn tới khi di chuyển ở tốc độ cao,giao thức đòi hỏi nhiều bản tin định tuyến đến vậy.
3.6.2 Mô phỏng di chuyển trong mạng kịch bản 2
Kịch bản này khác với kịch bản trên ở số kết nối, trong kịch bản này sửdụng số kết nối là 20, gấp đôi so với số kết nối trong kịch bản 1 Khi sốkết nối của mạng tăng lên, tỷ lệ nhận gói tin của các giao thức hầu nhưkhông thay đổi nhiều, DSDV hầu như không đổi, AODV và DSR có tỷ lệgói tin nhận được thấp hơn một chút nói chung là không đáng kể Nhưng
ta có thể thấy rõ được sự thay đổi ở độ trễ, thông lượng và thông tin tảiđịnh tuyến cao hơn so với kịch bản 1
3.6.3 Mô phỏng tải trong mạng(kịch bản 3)
Khi đánh giá ảnh hưởng của tải trong mạng, ta có thể thay đổi kíchthước gói hoặc số luồng CBR, tuy nhiên thay đổi tốc độ phản ánh chínhxác hơn, ta sử dụng 3 tình huống sau:
- 10 packet/s (tương ứng file: cbr- 50-20-10-512)
