Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến trong manet

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin Khảo sát ảnh hưởng của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến trong manet

Phạm Văn Tứ

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG CÁC NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MANET

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Phạm Văn Tứ

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CHUYỂN ĐỘNG CÁC NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU SUẤT CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MANET

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đình Việt

Cán bộ đồng hướng dẫn: Ths Đoàn Minh Phương

HÀ NỘI - 2010

Ngày nay, cùng với sự bùng nổ, phát triển mạnh mẽ của các thiết bị di động cánhân như: laptop, smartphone, tablet,…, thì nhu cầu kết nối giữa các thiết bị này cũng

ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ và khả năng di chuyển trong khi kết nối Mạng di động đặc biệt – MANET (Mobile Ad-hoc Network) là một trong những công nghệ

vượt trội đáp ứng nhu cầu kết nối đó nhờ khả năng hoạt động không phụ thuộc vào cơ

sở hạ tầng mạng cố định, với chi phí hoạt động thấp, triển khai nhanh và có tính diđộng cao Tuy nhiên, hiện nay mạng MANET vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi vàđang được thúc đẩy nghiên cứu nhằm cải tiến hơn nữa các giao thức định tuyến đểmạng đạt được hiệu quả hoạt động tốt hơn Khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng của sựchuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến trong mạngMANET Bằng những kiểm chứng thông qua mô phỏng, khóa luận đưa ra các nhậnxét, đánh giá về hiệu suất mạng đối với từng giao thức định tuyến cụ thể khi các nútmạng chuyển động với tốc độ và hướng đi thay đổi

TÓM TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

BẢNG CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

LỜI CẢM ƠN

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Sự ra đời và phát triển của các mạng không dây 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận 4

1.3 Công cụ nghiên cứu chính – NS-2 5

1.3.1 Giới thiệu về NS-2 5

1.3.2 Khả năng mô phỏng của NS-2 7

1.4 Tổ chức của KLTN 8

Chương 2 GIAO THỨC MAC CỦA MẠNG LAN VÀ WLAN 9

2.1 Mạng LAN và mạng WLAN 9

2.2 Chuẩn 802.3 và giao thức CSMA/CD 10

2.3 Chuẩn 802.11 và giao thức CSMA/CA 12

Chương 3 MẠNG MANET VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN 15

3.1 Mạng MANET 15

3.1.1 Lịch sử phát triển và các ứng dụng 15

3.1.2 Các đặc điểm chính của mạng MANET 16

3.2 Vấn đề định tuyến trong mạng MANET 17

3.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 17

3.2.2 Các yêu cầu chính đối với việc định tuyến trong mạng MANET 18

3.2.3 Phân loại các kỹ thuật định tuyến 19

3.2.3.1 Link state và Distance Vector 19

3.2.3.2 Định tuyến chủ ứng và phản ứng 20

3.2.3.3 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng 21

3.3 Các giao thức định tuyến chính trong mạng MANET 22

3.3.1 DSDV 22

3.3.2 OLSR [8] 23

4.1 Xác định các tham số hiệu suất cần đánh giá và cách thức phân tích kết quả mô phỏng

30

4.1.1 Các tham số hiệu suất cần đánh giá 30

4.1.2 Cách thức phân tích kết quả mô phỏng của NS-2 30

4.1.2.1 Cấu trúc tệp vết 30

4.1.2 Công cụ để phân tích và biểu diễn kết quả mô phỏng 33

4.1.2.1 Perl 33

4.1.2.2 GNUPLOT 33

4.2 Thiết lập mạng mô phỏng MANET 35

4.2.1 Thiết lập tô-pô mạng 35

4.2.2 Thiết lập mô hình chuyển động của các nút mạng và thời gian mô phỏng 36

4.2.2.1 Mô hình Random Waypoint 37

4.2.2.2 Mô hình Random Walk 38

4.2.3 Thiết lập các nguồn sinh lưu lượng đưa vào mạng 39

4.2.4 Lựa chọn thời gian mô phỏng 40

4.3 Thực hiện mô phỏng các giao thức định tuyến 40

4.3.1 Phân tích kết quả bằng công cụ perl 40

4.3.2 Sử dụng gnuplot để vẽ đồ thị 44

4.4 Đánh giá ảnh hưởng của sự chuyển động của nút mạng đến hiệu suất của các giao thức định tuyến 47

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 53

1 Bảng các trường phụ thêm vào trong cấu trúc tệp vết phụ thuộc vào kiểu gói tin 53

2 Mô phỏng mạng MANET 56

3 Tỷ lệ phân phát gói tin thành công 58

4 Thời gian thiết lập kết nối 59

Hình 1: Sự phát triển của mạng không dây và di động 1

Hình 2: Cấu trúc của NS-2 5

Hình 3: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2 6

Hình 4: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CD (bên gửi) 11

Hình 5: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CA (bên gửi) 13

Hình 6: Hoạt động lắng nghe kênh truyền của giao thức CSMA/CA 14

Hình 7: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET 22

Hình 8: Tô-pô mạng thay đổi 23

Hình 9: Quy trình chuyển tiếp gói tin khi sử dụng kíp đa điểm – MPR 24

Hình 10: OLSR ngăn chặn vòng lặp bằng việc sử dụng MPR để chuyển phát gói tin 25

Hình 11: quá trình khám phá tuyến trong AODV 25

Hình 12: Định tuyến nguồn động (DSR) 27

Hình 13: Diện tích mạng mô phỏng và các nút mạng 35

Hình 14: Di chuyển một nút theo mô hình Random Waypoint 37

Hình 15: Di chuyển của 8 nút theo mô hình Random Walk 38

Hình 16: Đồ thị tỷ lệ phân phát gói thành công – Random Waypoint 44

Hình 18: Đồ thị tỷ lệ phân phát gói tin thành công – Random Walk 45

Hình 19: Đồ thị thời gian thiết lập kết nối trung bình_Random-Waypoint 46

Hình 20: Đồ thị thời gian thiết lập kết nối trung bình_Random-Walk 46

Bảng 1: Sự phát triển của chuẩn 802.3 10

Bảng 2: Sự phát triển của chuẩn 802.11 12

Bảng 3: Cấu trúc tệp vết 31

Bảng 4: Các trường thêm vào trong cấu trúc tệp vết phụ thuộc vào kiểu gói tin 32

Bảng 5: Cấu hình mạng mô phỏng 36

Bảng 6: Thống kê chi tiết tỷ lệ phân phát gói tin thành công - Random Waypoint 41

Bảng 7: Thống kê chi tiết tỷ lệ phân phát gói tin thành công - Random Walk 42

Bảng 8: Thời gian thiết lập kết nối trung bình-Random_Waypoint 43

Bảng 9: Thời gian thiết lập kết nối trung bình-Random_Walk 43

Bảng 10: Tỷ lệ phân phát gói tin thành công - Random Waypoint 44

Bảng 11: Tỷ lệ phân phát gói tin thành công – Random Walk 45

AODV Adhoc On-demand Distance

Vector

MANET Mobile Adhoc NETwork

CSMA/CA Carrier sense multiple access

with collision avoidance

MPR Multi-Point Relays

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Distance Vector

PRnet Packet Radio Network

DSR Dynamic Source Routing RREP Route Reply

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

RREQ Route Request

LAN Local Area Network TORA Temporally-Ordered

Routing AlgorithmMAC Media Access Control WLAN Wireless LAN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS.Nguyễn Đình Việt,người thầy đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm khóa luận Tôi cũng xin gửilời cảm ơn tới Ths Đoàn Minh Phương, người đã hướng dẫn tôi trong giai đoạn chuẩn

bị nhận đề tài

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy, cô trong trường Đại Học Công Nghệ, ĐạiHọc Quốc Gia Hà Nội Thầy, cô đã dìu dắt, truyền lại cho chúng tôi không chỉ nhữngkiến thức chuyên ngành mà còn dạy bảo chúng tôi đạo làm người, rèn luyện cho chúngtôi nghị lực, khát vọng vươn lên, phát huy khả năng tư duy sáng tạo trong mọi lĩnhvực

Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn gia đình, bạn bè, những người thân yêu nhất củatôi Mọi người luôn ở bên cạnh tôi, động viên, khuyến khích tôi vươn lên trong cuộcsống

Hà nội, tháng 5 năm 2010

Phạm Văn Tứ

Chương 1 GIỚI THIỆU

1.1 Sự ra đời và phát triển của các mạng không dây

Mạng không dây được đánh dấu mốc hình thành từ những năm 1887 khiHeinrich Rudolf Hertz chứng minh được thuyết điện từ Maxwell thông qua thựcnghiệm Từ đó đến nay các nhà nghiên cứu đã cho ra đời hàng loạt phát minh sáng chếgóp phần đưa công nghệ mạng không dây không ngừng cải tiến vượt trội về tốc độtruyền nhận dữ liệu Những năm gần đây nền công nghiệp không dây và di động tăngtrưởng mạnh mẽ cả về mặt công nghệ lẫn sự bùng nổ ngày càng nhiều các thiết bị diđộng, hứa hẹn một kỷ nguyên truyền thông số nở rộ trên nền các mạng không dây và

di động Sự phát triển này được minh họa trên Hình 1 dưới đây

Hình 1: Sự phát triển của mạng không dây và di động

Các mốc hình thành và phát triển của mạng không dây:

Nikola Tesla truyền

thành công sóng radio

Heinrich Rudolf Hertz

đã tạo ra được sóng điện

từ Ông đã chứng minh

được thuyết Maxwell

thông qua thực nghiệm

Armstrong và được sử dụng rộng rãi để truyềnthông tin qua sóng vô tuyến

-1982: Hội nghị CEPT

đã thống nhất chọn GSM để phát triển thànhtiêu chuẩn cho hệ thống điện thoại di động có thể được sử dụng trên khắp châu Âu

- 1991: Các mạng GSM

đầu tiên đã được đưa ra

-1998: Công nghệ

Bluetooth đầu tiên được phát triển bởi Ericsson, sau đó được chuẩn hoá bởi

Bluetooth Special Interest Group (SIG).

Chuẩn IEEE 802.11

(WiFi) đã được tạo ra,

với tốc độ tối đa là

- Phát hành chuẩn Bluetooth 2.0

 Tốc độ Wi-Fi sẽ tăng hơn 10 lần so với tốc độ hiện tại

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận

Với đặc tính có thể hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng, triểnkhai nhanh, linh hoạt ở mọi vị trí địa hình khác nhau, mạng MANET đang là tâm điểmnghiên cứu đầy triển vọng, sẽ là công nghệ đột phá trong tương lai với nhiều ứng dụnghữu ích vào cuộc sống, thí dụ kết nối mạng truyền thông cho các các vùng mới xảy rathiên tai hoặc ứng dụng cho lĩnh vực quân sự

Khóa luận tập trung đi sâu nghiên cứu về mạng MANET, kết hợp phân tích trên

lý thuyết cùng thực nghiệm mô phỏng để tìm ra và đánh giá ảnh hưởng sự di động củacác nút mạng ở các mức độ khác nhau đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến.Nội dung cụ thể gồm:

 Tìm hiểu sâu về mạng MANET, trong đó chủ yếu xem xét tới các giao thứcđịnh tuyến

 Tìm hiểu sâu về các mô hình chuyển động của nút mạng trong MANET

 Xây dựng môi trường mô phỏng, đưa các giao thức định tuyến trong mạngMANET vào mô phỏng thông qua NS-2

 Đánh giá ảnh hưởng sự chuyển động của các nút mạng đến hiệu suất của cácgiao thức định tuyến DSDV, AODV và DSR bằng bộ mô phỏng mạng NS-2

Từ đó đưa ra các nhận xét so sánh giữa ba giao thức

1.3 Công cụ nghiên cứu chính – NS-2

1.3.1 Giới thiệu về NS-2

NS-2 là phần mềm mô phỏng mạng, hoạt động của nó được điều khiển bởi các

sự kiện rời rạc NS-2 được thiết kế và phát triển theo kiểu hướng đối tượng, được pháttriển tại đại học California, Berkely Bộ phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ C++

và OTcl

Hình 2: Cấu trúc của NS-2

Cấu trúc của NS-2 bao gồm các thành phần được chỉ ra trên Hình 2, chức năng của chúng được mô tả như sau:

 Simulation Program Chương trình Mô phòng

 OTcl Bộ biên dịch Tcl mở rộng hướng đối tượng

 NS Simulation Library Thư viện Mô phỏng NS

 Event Scheduler Objects Các đối tượng Bộ lập lịch Sự kiện

 Network Component Objects Các đối tượng Thành phần Mạng

 Network Setup Helping Modules Các mô đun Trợ giúp Thiết lập Mạng

 Plumbling Modules Các mô đun Plumbling

 Simulation Results Các kết quả Mô phỏng

các đối tượng: Bộ lập lịch sự kiện, các đối tượng thành phần mạng và các mô đun trợgiúp thiết lập mạng.

Để sử dụng NS-2, người dùng lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl Ngườidùng có thể thêm các mã nguồn Otcl vào NS-2 bằng cách viết các lớp đối tượng mớitrong OTcl Những lớp này khi đó sẽ được biên dịch cùng với mã nguồn gốc

Kịch bản OTcl có thể thực hiện những việc sau: Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện 

Thiết lập Mô hình mạng dùng các đối tượng thành phần mạng  Báo cho nguồn traffic khi nào bắt đầu truyền và ngưng truyền packet trong Bộ lập lịch Sự kiện

Bộ lập lịch Sự kiện trong NS-2 thực hiện những việc sau: Tổ chức Bộ định thời mô

phỏng Huỷ các sự kiện trong hàng đợi sự kiện Triệu gọi các Thành phần mạng trong mô phỏng.

Tùy vào mục đích của người dùng đối với kịch bản mô phỏng OTcl mà kết quả

mô phỏng có thể được lưu trữ vào tệp vết (trace file) với khuôn dạng (format) đượcnhững người phát triển NS định nghĩa trước hoặc theo khuôn dạng do người sử dụng

NS quyết định khi viết kịch bản mô phỏng Nội dung tệp vết sẽ được tải vào trong cácứng dụng khác để thực hiện phân tích NS đã định nghĩa 2 loại tệp vết:

 Nam trace file (file.nam): Chứa các thông tin về tô-pô mạng như: các nútmạng, đường truyền, vết các gói tin; dùng để minh họa trực quan mạng đã thiếtlập

 Trace file (file.tr): Tệp ghi lại vết của các sự kiện mô phỏng, tệp file dạng text,

có cấu trúc, dùng cho các công cụ lần vết và giám sát mô phỏng như: Gnuplot,XGRAPH hay TRACEGRAPH

1.3.2 Khả năng mô phỏng của NS-2

NS-2 hỗ trợ mô phỏng tốt cho cả mạng có dây và mạng không dây Bao gồm các

ưu điểm nổi bật sau:

 Khả năng kiểm tra tính ổn định của các giao thức mạng đang tồn tại

 Khả năng đánh giá các giao thức mạng mới trước khi đưa vào sử dụng

 Khả năng thực thi những mô hình mạng lớn mà gần như ta không thể thực thiđược trong thực tế

 Khả năng mô phỏng nhiều loại mạng khác nhau

Trong đó NS-2 có khả năng mô phỏng:

 Các mô hình mạng: LAN, WLAN, di động, vệ tinh,

 Các giao thức mạng như: TCP, UDP

 Các dịch vụ nguồn lưu lượng như: FTP, CBR, VBR, Telnet, http

 Các kỹ thuật quản lý hàng đợi: Vào trước Ra trước (Drop Tail), Loại bỏ sớmngẫu nhiễn - RED (Random Early Drop) và Xếp hàng dựa trên sự phân lớp –CBQ (Class-Based Queueing)

 Các thuật toán định tuyến như: Dijkstra, Distance Vector, Link State…

 Các Chuẩn IEEE 802.11, IEEE 802.3,…

 NS-2 cũng thực thi multicasting và vài giao thức lớp Điều khiển truy cậpđường truyền (MAC) đối với mô phỏng LAN

1.4 Tổ chức của KLTN

Nội dung khóa luận bao gồm bốn chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu về sự ra đời và phát triển của các mạng không dây, trình

bày tổng quát về bộ mô phỏng mạng NS-2 và nêu lên được mục tiêu nghiên cứuxuyên suốt trong đề tài khóa luận tốt nghiệp này

Chương 2: Trình bày các giao thức MAC của mạng LAN và WLAN như giao

thức CSMA/CD, CSMA/CA cùng hai chuẩn tương ứng là IEEE 802.3 và IEEE802.11

Chương 3: Nêu lên lịch sử hình thành, các đặc điểm chính của mạng MANET,

đồng thời mô tả chi tiết về các giao thức định tuyến như DSDV, AODV, DSR, OLSR,TORA và phân loại các kỹ thuật định tuyến khác nhau

Chương 4: Từ các kết quả thực nghiệm mô phỏng chúng tôi đánh giá ảnh hưởng

của sự chuyển động các nút mạng đến hiệu suất của một số giao thức định tuyến trongmạng MANET

Chương 2 GIAO THỨC MAC CỦA MẠNG LAN VÀ

WLAN

2.1 Mạng LAN và mạng WLAN

Trong nhưng năm gần đây mạng WLAN đã trở lên phổ biến rộng khắp ở mọinơi: lớp học, sân trường, thư viện, văn phòng, quán cà phê, khách sạn, tới hộ gia đình.Mạng WLAN đã đạt được những bước tiến khá dài và vững chắc, dần trở thành mộtđối trọng của công nghệ mạng LAN phổ biến từ trước tới nay Các lợi thế lớn màWLAN đem lại cho người dùng gồm:

1 Tính di động:

Với khả năng hỗ trợ của mạng không dây, người dùng không bị ràng buộc vàocác dây nối, tức là trong khi đang kết nối người sử dụng vẫn có thể di chuyển từ vị trínày đến vị trí khác trong khu vực phủ sóng mà không bị gò bó tại một vị trí cố địnhnhư trong mạng LAN truyền thống Nhờ đó người dùng có thể mang theo thiết bị củamình đến bất cứ đâu có sóng không dây là có thể truy cập vào mạng

2 Tính mềm dẻo:

Triển khai mạng không dây rất thuận tiện và dễ dàng vì môi trường truyền luôn

có sẵn mọi lúc, mọi nơi mà không cần phải lên kế hoach trước, không cần kéo dây cápmạng hay bất kỳ sự vướng víu nào Người dùng dễ dàng thiết lập kết nối một cáchnhanh chóng phục vụ cho công việc của mình

3 Dễ dàng triển khai lắp đặt:

Đối với nhiều khu vực việc triển khai mạng có dây khá là khó khăn, tốn nhiềucông sức do địa hình không thuận lợi hoặc không được phép lắp đặt vì làm mất mĩquan Trái lại với mạng không dây ta chỉ cần thiết lập, lắp đặt các thiết bị trung tâmnhư Access point, Switch, Router, sau đó không cần phải đi thêm các hệ thống dây cápđến từng máy cố định như trong mạng thông thường

2.2 Chuẩn 802.3 và giao thức CSMA/CD

2.2.1 Chuẩn 802.3:

IEEE 802.3 là tập hợp các tiêu chuẩn do tổ chức IEEE định nghĩa về tầng vật lý

(Physical layer) và lớp con điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC sublayer) của

lớp liên kết dữ liệu (Data link layer) trong mạng Ethernet Theo chuẩn này, các kết nối vật lý được thực hiện giữa các nút và (hoặc) các thiết bị cơ sở hạ tầng như: hub,

switch, router… bằng các loại cáp đồng hoặc cáp quang Chuẩn 802.3 đồng thời cũng

hỗ trợ các kiến trúc mạng theo chuẩn 802.1

Kích thước gói tin tối đa theo chuẩn là 1518 byte, mặc dù vậy để hỗ trợ mạngLAN ảo và độ ưu tiên dữ liệu trong chuẩn 802.3ac, nó được mở rộng tới 1.522

byte Nếu giao thức lớp trên đưa ra một khung dữ liệu (PDU) nhỏ hơn 64 byte, thì

chuẩn 802.3 sẽ đệm thêm các trường dữ liệu để đạt được tối thiểu 64 byte Do đó kíchthước khung tối thiểu luôn luôn là 64 byte

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, tốc độ kết nối trong Ethernet khôngngừng được nâng lên Dưới đây là một số mốc phát triển chính của chuẩn 802.3:

Bảng 1: Sự phát triển của chuẩn 802.3

802.3u 1995 Fast Ethernet ra đời với tốc độ 100 Mbit/s:

100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX

802.3z 1998 1000BASE-X Gbit/s Ethernet qua cáp quang với tốc độ 1

Gbit/s

802.3ab 1999 1000BASE-T Gbit/s Ethernet qua cáp UTP với tốc độ 1 Gbit/s

802.3ae 2003 10 Gbit/s Ethernet over fiber

2.2.2 Giao thức CSMA/CD

Hình 4: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CD (bên gửi)

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) – là giao

thức Đa truy cập cảm nhận sóng mang có phát hiện xung đột Mạng LAN hoạt độngdựa trên nguyên tắc này Khi máy tính muốn truyền dữ liệu, trước tiên nó lắng nghexem đường truyền có bận hay không (bằng cách cảm nhận tín hiệu sóng mang) Nếukhông có, nó sẽ thực hiện truyền gói tin Sau khi truyền gói tin, nó vẫn tiếp tục lắngnghe để xem có máy nào định truyền tin hay không Nếu không có xung đột, nó tiếptục truyền gói tin cho đến khi hoàn thành Nếu phát hiện xung đột, nó sẽ gửi broadcast

ra toàn mạng tín hiệu nghẽn (jam signal) để các máy khác dễ dàng nhận ra xung đột.Sau đó nó sẽ đợi một thời gian theo thuật toán Backoff rồi thử gửi lại gói tin

2.3 Chuẩn 802.11 và giao thức CSMA/CA

2.3.1 Chuẩn 802.11

IEEE 802.11 là một tập các chuẩn do tổ chức IEEE quy định về truyền thôngmáy tính trong mạng LAN không dây ở các dải tần số: 2.4 GHz, 3.6 GHz và 5 GHz

Chuẩn 802.11 bao gồm các kỹ thuật điều biến tín hiệu “truyền qua không khí”

(over-the-air) sử dụng sóng vô tuyến để truyền nhận tín hiệu giữa các thiết bị không dây và

điểm truy cập (access point) hoặc giữa các thiết bị không dây với nhau (mạng ad-hoc) Chuẩn mạng không dây đầu tiên được ra đời vào tháng sáu năm 1997 (802.11-

1997) nhưng phải mãi đến tháng 9 năm 1999 chuẩn 802.11b ra đời mới được chấp

nhận rộng rãi Tiếp theo đó là sự ra đời của chuẩn 802.11g và 802.11n đánh dấu sự cảitiến vượt trội về tốc độ truyền tải mạng không dây Trong đó chuẩn 802.11n được ứngdụng kỹ thuật điều biến đa luồng mới cho phép truyền dữ liệu ở tốc độ cao nhất lênđến 150Mbps mỗi luồng Chúng ta cùng nhìn lại sự phát triển, cải tiến của mạngkhông dây chuẩn 802.11 theo bảng 2

Bảng 2: Sự phát triển của chuẩn 802.11

802.11

Protocol Năm

Tần số (GHz)

Băng thông (MHz)

Tốc độ truyền dữ liệu trên mỗi luồng (Mb/s)

Số luồng MIMO

2.3.1 Giao thức CSMA/CA

Hình 5: Chu trình hoạt động của giao thức CSMA/CA (bên gửi)

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) – Đa truy

cập cảm nhận sóng mang có tránh xung đột CSMA/CD là phương thức truy cập củalớp hai (Data link) Nguyên tắc hoạt động của phương thức này dựa trên việc cảmnhận sóng mang, tránh xung đột và cơ chế nghe trước khi nói “Listen before talk”.Một nút trước khi truyền phải lắng nghe kênh truyền trước để xem có nút nào khácđang truyền sóng trong vùng sóng cần truyền hay không

Hình 6: Hoạt động lắng nghe kênh truyền của giao thức CSMA/CA

 Nếu kênh truyền rỗi: Nút sẽ đợi một khoảng thời gian tối thiểu DIFS sau đóbắt đầu quá trình truyền

 Nếu kênh truyền bận:

 Nút muốn truyền phải đợi một khoảng thời gian DIFS

 Và chờ thêm một khoảng thời gian Backoff ngẫu nhiên trong cửa sổtranh chấp Cơ chế này giúp CSMA/CA tránh được xung đột

 Sau mỗi khoảng thời gian DIFS, nếu môi trường truyền rỗi, thời gianBackoff giảm đi 1 Trái lại nó được giữ nguyên cho khoảng thời gianDIFS tiếp theo Khi thời gian Backoff giảm đến không, nút bắt đầu truycập môi trường truyền Tuy nhiên, nếu trước đó một nút khác đã truy cập

Chương 3 MẠNG MANET VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Nguyên lý làm việc của mạng Adhoc bắt nguồn từ năm 1968 khi các mạngALOHA được thực hiện Tuy các trạm làm việc là cố định nhưng giao thức ALOHA

đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, đây là cơ sở lýthuyết để phát triển kỹ thuật truy cập kênh phân tán vào mạng Adhoc

Năm 1973 tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên mạng vô tuyến gói tinPRnet Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên Trong đó các nút hợp tác vớinhau để gửi dữ liệu tới một nút nằm ở xa khu vực kết nối thông qua một nút khác Nócung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung và phân tán

Một lợi điểm của làm việc đa chặng so với đơn chặng là triển khai đa chặng tạothuận lợi cho việc dùng lại tài nguyên kênh truyền về cả không gian, thời gian và giảmnăng lượng phát cần thiết

Sau đó có nhiều mạng vô tuyên gói tin phát triển nhưng các hệ thống không dâynày vẫn chưa bao giờ tới tay người dùng cho đến khi chuẩn 802.11 ra đời IEEE đã đổitên mạng vô tuyến gói tin thành mạng Adhoc

Ứng dụng:

Quân sự: Hoạt động phi tập trung của mạng Adhoc và không phụ thuộc vào cơ

sở hạ tầng mạng là một yếu tố thiết yếu đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong cáctrường hợp chiến đấu khốc liệt, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy Lúc này mạngAdhoc là lựa chọn số một để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách

lớp học, thư viện, sân trường,… để kết nối các thiết bị di động (laptop, smartphone) lạivới nhau, giúp sinh viên, thầy cô giáo có thể trao đổi bài một cách nhanh chóng thôngqua mạng adhoc vừa tạo.

Gia đình: Tại nhà bạn có thể tạo nhanh mạng Adhoc để kết nối các thiết bị di

động của bạn với nhau, nhờ đó ta có thể di chuyển tự do mà vẫn đảm bảo kết nốitruyền tải dữ liệu

Kết nối các thiết bị điện tử với nhau: Trong những năm tới khi mà các thiết bị

điện tử đều được gắn các giao tiếp không dây, giúp chúng có thể trao đổi giao tiếp vớinhau thì mạng Adhoc sẽ rất phù hợp để tạo nên một hệ thống thông mình có khả năngliên kết với nhau

3.1.2 Các đặc điểm chính của mạng MANET

Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET đều có những đặc điểm vềnguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng khác nhau Chúng có thể di chuyển về mọihướng theo các tốc độ khác nhau, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chínhcủa mạng MANET như sau:

 Cấu hình mạng động: Cấu hình mạng luôn biến đổi theo các mức độ di

chuyển của nút mạng

 Khoảng cách sóng ngắn: Khoảng cách sóng của các thiết bị di động là rất hạn

chế

 Năng lượng hạn chế: Tất cả các thiết bị di động đều sử dụng pin nên khi tham

gia vào mạng MANET chúng bị hạn chế về năng lượng, khả năng xử lý củaCPU, kích thước bộ nhớ

 Băng thông hạn chế: Các liên kết không dây có băng thông thấp hơn so với

đường truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hưởng của sự nhiễu, suy giảm tín hiệu,các điều kiện giao thoa vì thế mà thường nhỏ hơn tốc độ truyền lớn nhất củasóng vô tuyến

3.2 Vấn đề định tuyến trong mạng MANET

3.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống

Các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng hai giải thuật:

 Distance Vector: RIP , IGRP,

Nguyên tắc hoạt động: mỗi router sẻ gửi bảng định tuyến của mình cho tất cảcác router được nối trực tiếp với nó Các router đó so sánh với bảng bảng định tuyến

mà mình hiện có và kiểm tra lại các tuyến đường của mình với các tuyến đường mớinhận được, tuyến đường nào tối ưu hơn sẽ được đưa vào bảng định tuyến Các gói tincập nhật sẽ được gửi theo định kỳ (30 giây với RIP ,90 giây đối với IGRP) [9]

 Link state: OSPF, IS-IS

Nguyên tắc hoạt động: Các router không gửi bảng định tuyến của mình, mà chỉgửi tình trạng của các đường liên kết trong cơ sở dữ liệu trạng thái liên kết (linkstate-database) của mình đi cho các router khác, các router sẽ áp dụng giải thuật SPF(shortest path first ), để tự xây dựng bảng định tuyến riêng cho mình Khi mạng đã hội

tụ, các giao thức Link state sẽ không gửi cập nhật định kỳ mà chỉ gửi khi nào có sựthay đổi trong mạng (1 đường bị down , cần sử dụng đường dự phòng)

Ưu điểm:

Có thể thích nghi được với đa số hệ thống, cho phép người thiết kế có thể thiết kế

- Do router phải xử lý nhiều, nên chiếm nhiều bộ nhớ, tốc độ CPU chậm hơn nêntăng độ trễ

Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET sẽ dẫnđến rất nhiều vấn đề trở ngại cần giải quyết:

 Tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhập định kỳ như trong giao thứcđịnh tuyến Distance Vector

 Tiêu tốn băng thông mạng cho các cập nhập định kỳ

 Làm quá tải bộ vi xử lý của thiết bị: khi các thông tin cập nhật, số nút mạngtăng lên

 Tạo ra nhiều đường đi dư thừa

3.2.2 Các yêu cầu chính đối với việc định tuyến trong mạng MANET

Các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần đảm bảo:

 Thích ứng nhanh khi tô-pô mạng thay đổi: khi các nút mạng di chuyển nhanh,yêu cầu kết nối tăng lên thì các giao thức hoạt động theo cơ chế tiếp cận tậptrung sẽ giảm hiệu quả rõ rệt do phải tốn nhiều thời gian để thu thập thông tin

về trạng thái hiện tại và phát tán lại nó Trong khi đó cấu hình mạng có thể đãthay đổi khác đi rồi

 Đảm bảo hiệu quả trong môi trường truyền khi các nút đứng yên Lúc này

tô-pô mạng là cố định không thay đổi nên các giao thức định tuyến chỉ cần gửi cáccập nhật khi có yêu cầu hoặc mạng thay đổi như việc một nút nào đó tắt kết nối

 Không có lặp định tuyến: Cần ngăn chặn hiện tượng này, bởi vì khi đó các góitin bị định tuyến sai, dẫn đến việc bị truyền quay vòng liên tục trong một số kếtnối mạng, khiến cho băng thông mạng và các tài nguyên khác như năng lượngnguồn nuôi bị tiêu tốn vô ích

thức định tuyến cần phải có phương pháp để phát hiện được và ngăn chặn cácloại tấn công.

3.2.3 Phân loại các kỹ thuật định tuyến

3.2.3.1 Link state và Distance Vector

Thuật toán định tuyến vector khoảng cách (distance-vector routing protocols)

Thuật toán này dùng thuật toán Bellman-Ford, trong đó chỉ định một con số, gọi

là chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các nút trong mạng Các nút sẽ gửithông tin về đường đi từ điểm A đến điểm B qua các đường truyền (kết nối) mang lạitổng chi phí thấp nhất (là tổng các chi phí của các kết nối giữa các nút được dùng).Thuật toán hoạt động với những hành động rất đơn giản Khi một nút khởi độnglần đầu, nó chỉ biết các nút kề trực tiếp với nó, và chi phí trực tiếp để đi đến đó (thôngtin này, danh sách của các đích, tổng chi phí đến từng đích và bước kế tiếp để gửi dữliệu đến đó tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách) Mỗi nút, trong một tiếntrình, gửi đến từng “hàng xóm” tổng chi phí của nó để đi đến các đích mà nó biết Cácnút “hàng xóm” phân tích thông tin này, và so sánh với những thông tin mà chúngđang “biết”; bất kỳ điều gì cải thiện được những thông tin chúng đang có sẽ được đưavào các bảng định tuyến của những “hàng xóm” này Đến khi kết thúc, tất cả nút trênmạng sẽ tìm ra bước truyền kế tiếp tối ưu đến tất cả mọi đích, và tổng chi phí tốt nhất.Khi một trong các nút gặp vấn đề, những nút khác có sử dụng nút hỏng này trong

lộ trình của mình sẽ loại bỏ những lộ trình đó, và tạo nên thông tin mới của bảng địnhtuyến Sau đó chúng chuyển thông tin này đến tất cả nút gần kề và lặp lại quá trìnhtrên Cuối cùng, tất cả nút trên mạng nhận được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ tìmđường đi mới đến tất cả các đích mà chúng còn tới được

Thuật toán định tuyến trạng thái kết nối (Link-state routing protocols)

Khi áp dụng các thuật toán trạng thái kết nối, mỗi nút sử dụng dữ liệu cơ sở của

nó như là một bản đồ của mạng với dạng một đồ thị Để làm điều này, mỗi nút phát đitới toàn mạng những thông tin về các nút khác mà nó có thể kết nối được, và từng nútgóp thông tin một cách độc lập vào bản đồ Sử dụng bản đồ này, mỗi nút sau đó sẽ xácđịnh được tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi nút khác

vào cây, nó sẽ thêm nút có chi phí thấp nhất để đến một nút đã có trên cây Tiếp tụcquá trình đến khi mọi nút đều được thêm vào cây.

Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bước truyền kế tiếptốt ưu, … để từ một nút đến bất kỳ nút khác trên mạng

So sánh các thuật toán định tuyến

Các giao thức định tuyến theo thuật toán vector khoảng cách đơn giản và hiệuquả hơn trong các mạng nhỏ, đòi hỏi ít (nếu có) sự giám sát Tuy nhiên nhược điểmcủa nó là khả năng hội tụ chậm khi mạng lớn và thay đổi, điều này dẫn đến sự pháttriển của các thuật toán trạng thái kết nối tuy phức tạp hơn nhưng tốt hơn để dùngtrong các mạng lớn

Ưu điểm chính của định tuyến bằng trạng thái kết nối là phản ứng nhanh nhạyhơn, và trong một khoảng thời gian có hạn, đối với sự thay đổi kết nối Ngoài ra,những gói được gửi qua mạng trong định tuyến bằng trạng thái kết nối thì nhỏ hơnnhững gói dùng trong định tuyến bằng vector Định tuyến bằng vector đòi hỏi bảngđịnh tuyến đầy đủ phải được truyền đi, trong khi định tuyến bằng trạng thái kết nối thìchỉ có thông tin về “hàng xóm” của nút được truyền đi Vì vậy, các gói này dùng tàinguyên mạng ở mức không đáng kể Khuyết điểm chính của định tuyến bằng trạngthái kết nối là nó đòi hỏi nhiều sự lưu trữ và tính toán để chạy hơn định tuyến bằngvector

3.2.3.2 Định tuyến chủ ứng và phản ứng

Các giao thức định tuyến trong mạng MANET được người ta phân chia thành cácloại: định tuyến chủ ứng (proactive), định tuyến phản ứng (reactive) và định tuyến laighép giữa hai loại trên Các giao thức định tuyến chủ ứng sử dụng phương pháp pháttràn (Floading) để quảng bá thông tin tới các thiết bị Phương pháp này cho phép thờigian thiết lập đường nhanh dựa trên các tham số gửi tới thiết bị sẵn sàng cho kết nối.Tuy nhiên, phương pháp này cũng làm lưu lượng các gói tin tìm đường tăng lên rất

Các giao thức định tuyến phản ứng thiết lập tuyến dựa theo từng yêu cầu kết nối.Phương pháp này hạn chế được chi phí tìm đường, nhưng nhược điểm cơ bản là gâytrễ lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như thời gian chọn đường dẫn chậm.Hai giao thức phản ứng điển hình là giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêucầu AODV (On-demand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyếnnguồn động DSR (Dynamic Source Routing).

Một khi xảy ra lỗi tại nút, các giao thức định tuyến thường khôi phục đường dẫnbằng phương pháp thiết lập tuyến mới Hầu hết các tiếp cận hiện nay đều sử dụngthông tin phản hồi tới thiết bị nguồn nhằm khởi tạo tuyến mới, vì vậy lưu lượng bản tintrao đổi là rất lớn và tăng lên rất nhanh khi kích thước mạng lớn, nhất là đối với cácgiao thức định tuyến chủ ứng Khi kích thước mạng tăng cũng đồng nghĩa với sự suygiảm hiệu năng mạng do hiện tượng trễ của thủ tục định tuyến và truyền khung đầutiên tăng lên rất lớn nếu sử dụng giao thức định tuyến phản ứng

3.2.3.3 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng

Với định tuyến nguồn, toàn bộ thông tin về đường đi tới đích được đặt trongtrường tiêu đề của gói tin dữ liệu, các nút trung gian chỉ việc chuyển tiếp gói tin theođường trong tiêu đề Lợi điểm của giao thức này là loại bỏ được nhu cầu quảng báđường định kỳ và các gói tin khám phá (discovery) hàng xóm

Trong định tuyến theo chặng, khi một nút nhận được gói tin cần chuyển tớiđích, nút đó chuyển tiếp gói tin theo chặng tiếp theo hướng tới đích mà nó biết Núttiếp theo lại chuyển tiếp gói tin đến đích theo những chặng mà nó biết dựa vào bảngđịnh tuyến của nó Quá trình trên sẽ dừng lại khi gói tin được chuyển tới đích Nhượcđiểm của phương pháp này là tất cả các nút cần duy trì thông tin định tuyến nên phải

xử lý nhiều hơn và có khả năng tạo thành các vòng lặp định tuyến

3.3 Các giao thức định tuyến chính trong mạng MANET

Hình 7: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET

3.3.1 DSDV

DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là giao thức chủ ứng

dựa trên dựa trên thuật toán Distance vector được xây dựng bởi C.Perkins vàP.Bhagwat năm 1994 [13] Giao thức này được xây dựng dựa trên tiêu chí giữ nguyên

sự đơn giản của giải thuật Bellman-Ford và loại bỏ vấn đề vòng lặp

Truyền thông tin định tuyến: Thông tin định tuyến được gửi quảng bá (broadcast)

tới tất cả các nút hàng xóm liền kề nó Thông tin cập nhật được phát định kỳ hoặc ngaykhi có các thay đổi xảy ra trong mạng Để tránh lặp định tuyến DSDV gắn số thứ tựchẵn cho mỗi đường Số thứ tự được gắn bởi nút đích, được gửi đi trong gói tin cậpnhập Số thứ tự này cho thấy độ mới của mỗi đường, đường nào có số thứ tự cao hơnđược xem là tốt hơn [10]

Hình 8: Tô-pô mạng thay đổi

Số thứ tự này sẽ tăng lên một đơn vị khi một nút phát hiện đường đi tới đích cóliên kết bị hỏng khi nó không nhận được cập nhật định kỳ Khi ấy trong gói tin cậpnhật kế tiếp nó gửi đi sẽ quảng bá đường tới đích này có số chặng bằng vô hạn (metric

~ ∞) và tăng thứ tự đường

Khi một nút nhận được thông tin mới về một tuyến đường, tuyến này sẽ đượcchọn nếu nó có số thứ tự lớn hơn các số thứ tự khác của cùng tuyến đó trong bảng địnhtuyến Nếu nó có cùng số thứ tự thì nó sẽ được chọn nếu có số metric tốt hơn

Để làm giảm kích thước gói tin cập nhập, DSDV sử dụng hai loại thông điệp cậpnhật là:

 Full dump: Cập nhật đầy đủ Thông điệp này bao gồm toàn bộ thông tin định

tuyến mà nút đó biết đến thời điểm đó

 Incremental dump: cập nhật bổ sung Gói thông điệp này chỉ bao gồm các

thông tin về những thay đổi từ lần cập nhật đầy đủ gần nhất

Hai loại thông điệp cật nhật này được lưu vào hai bảng khác nhau, một bảng đểchuyển tiếp các gói tin đầy đủ, một để phát các gói tin cập nhật Gói tin cập nhật đầy

đủ chỉ được phát thường xuyên khi các nút thường xuyên di chuyển, khi mạng ít thayđổi, chủ yếu chỉ có gói tin cập nhật bổ sung được gửi đi

3.3.2 OLSR [8]

OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) là giao thức chủ ứng dựa trênthuật toán trạng thái kết nối (Link state) Các nút gửi định kỳ ra toàn mạng thông điệp

thể về toàn mạng Dựa vào bảng định tuyến này nó có thể tự tính được đường đi tớicác nút khác dựa vào thuật toán tìm đường đi ngắn nhất Khi một nút nhận được mộtgói tin trùng lặp với cùng số thứ tự nó sẽ loại bỏ gói tin này Trong bảng định tuyếnnút lưu trữ thông tin định tuyến tới tất cả các nút khác trong mạng Những thông tinnày chỉ được cập nhật khi:

 Khi nút nhận thấy sự thay đổi trong quan hệ hàng xóm (vd: mất liên kết đếnnút hàng xóm,…)

 Tuyến đường tới các nút đích khác hết hạn (quá lâu không được cập nhập)

 Phát hiện ra đường đi mới ngắn hơn để tới đích

Điểm khác biệt giữa OLSR và LSR (Link State Protocol) là việc giao thức OLSRhoạt động dựa trên việc một nhóm nút mạng cộng tác với nhau tạo nên một kíp phát

chuyển tiếp đa điểm (Multi-Point Relays - MPR) Mỗi nút N trong mạng sẽ lựa chọn ra

một tập các nút hàng xóm của nó vào kíp đa điểm MPR(N), các nút thuộc kíp đa điểmnày sẽ chuyển tiếp các gói tin điều khiển được gửi từ N Nút không thuộc kíp đa điểmcủa N vẫn xử lý gói tin này nhưng sẽ không chuyển tiếp đến các nút khác

kể Lợi điểm thứ hai là việc giảm được kích thước của gói tin “Hello” vì nó chỉ lưu trữcác thông tin liên quan tới các nút trong kíp đa điểm của nó.

Hình 10: OLSR ngăn chặn vòng lặp bằng việc sử dụng MPR để chuyển phát gói tin

3.3.3 AODV [12]

AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) là giao thức dựa trên thuật toánvector khoảng cách AODV tối thiểu hoá số bản tin quảng bá cần thiết bằng cách tạo racác tuyến trên cơ sở theo yêu cầu, ngược với việc duy trì một danh sách hoàn chỉnhcác tuyến như thuật toán DSDV

Hình 11: quá trình khám phá tuyến trong AODVKhi một nút nguồn muốn gởi một bản tin đến một nút đích nào đó và không biết