đánh giá ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của các thuật toán định tuyến trong mạng manet

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN HỮU DŨNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI ĐỘNG CỦA NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2011 2 Lời cảm ơn Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện và Viện Công nghệ Thông tin - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt khóa học; cảm ơn tập thể lớp K15T1, tập thể lớp K15 chuyên ngành Mạng và Truyền thông máy tính. Cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu với những ý kiến góp ý quý báu trong quá trình tôi thực hiện đề tài, và đặc biệt tôi chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn - PGS.TS Nguyễn Đình Việt, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè của tôi, những người đã luôn ở bên động viên và khích lệ tôi trong suốt khóa học. Do thời gian và điều kiện có hạn nên luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý từ bạn bè, thầy cô và những người quan tâm đến đề tài này. Let’s start at the very beginning, a very nice place to start, when you sing, you begin with A, B, C, when you simulate, you begin with the topology - The ns Manual 3 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày 01 tháng 05 năm 2011 Phan Hữu Dũng 4 Mục lục Lời cảm ơn 1 Lời cam đoan 3 Danh mục hình vẽ 7 Danh mục bảng 9 Bảng ký hiệu các chữ viết tắt 10 Chương 1: GIỚI THIỆU 12 1.1. Đặt vấn đề 12 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 12 1.3. Tổ chức của luận văn 13 Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET 14 2.1. Mạng không dây 14 2.1.1. Mạng cục bộ WLAN 14 2.1.1.1. Lịch sử ra đời mạng WLAN 15 2.1.1.2. Phân loại mạng WLAN 15 2.1.1.3. Các chuẩn đối với mạng WLAN 17 2.1.2. Một số mạng không dây phổ biến khác 18 2.1.2.1. Mạng cá nhân WPAN theo chuẩn 802.15.1, 802.15.3 và 802.15.4 18 2.1.2.2. Mạng đô thị WMAN theo chuẩn 802.16 18 2.1.2.3. Mạng diện rộng WWAN theo chuẩn 802.20 19 2.2. Mạng di động không dây đặc biệt MANET 19 2.2.1. Giới thiệu mạng MANET 19 2.2.2. Các đặc điểm của mạng MANET 22 2.2.3. Phân loại 22 2.2.3.1. Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến 22 2.2.3.2. Phân loại mạng MANET theo chức năng của Nút 23 Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 26 3.1. Các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng có dây truyền thống 26 3.1.1. Distance Vector 26 3.1.2. Link State 26 3.1.3. Source Routing 27 3.1.4. Kỹ thuật Flooding 27 3.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến trong mạng MANET 27 3.2.1. Mục tiêu thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng MANET 27 5 3.2.2. Áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống trong mạng MANET 28 3.3. Phân loại các giao thức định tuyến cho MANET [16] 29 3.3.1. Các khái niệm liên quan 30 3.3.1.1. Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng 30 3.3.1.2. Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 30 3.3.1.3. Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán 31 3.3.1.4. Đơn đường và đa đường 31 3.3.2. Phân loại các giao thức định tuyến 31 3.3.2.1. Destination-Sequence Distance Vector (DSDV) 32 3.3.2.2. Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) 33 3.3.2.3. Ad hoc On-demand Distance Vector Routing (AODV) 35 3.3.2.4. Dynamic Source Routing (DSR) [12] 36 3.3.2.5. So sánh các giao thức định tuyến cho MANET 38 Chương 4: NGHIÊN CỨU VIỆC SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 41 4.1. Lựa chọn phương pháp và công cụ đánh giá hiệu năng mạng [1] 41 4.1.1. Lựa chọn phương pháp 41 4.1.1.1. Mô hình Giải tích 42 4.1.1.2. Mô phỏng mạng bằng chương trình máy tính 42 4.1.1.3. Đo trên mạng thực 42 4.1.1.4. Lý do sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu năng mạng .43 4.1.2. Công cụ mô phỏng NS-2 [1, 12, 15] 43 4.1.2.1. Các chức năng mô phỏng chính của NS 45 4.1.2.2 Cấu trúc phần mềm của NS 46 4.1.2.3. Lập trình mô phỏng bằng NS 46 4.1.3 Công cụ hỗ trợ phân tích kết quả mô phỏng 46 4.1.3.1 Cấu trúc tệp vết chứa kết quả mô phỏng mạng không dây 46 4.1.3.2 Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng 47 4.1.4. Công cụ hiển thị trực quan mạng MANET trong quá trình hoạt động iNSPECT 48 4.2. Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS 53 4.2.1. Tạo các nút mạng trong MANET 53 4.2.1.1 Nút di động 53 4.4.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 54 4.4.1.3 Hoạt động của nút di động 55 4.4.1.4 Cấu hình nút di động trong NS 56 6 4.4.1.5 Tạo sự di chuyển của nút trong NS 57 4.4.2. Tạo các đường truyền không dây (air interface) trong MANET 58 4.4.2.1 Mô hình FreeSpace 58 4.4.2.2 Mô hình Two Ray Ground 58 4.4.2.3 Mô hình Shadowing 59 4.4.3. Tạo ngữ cảnh chuyển động 59 4.4.3.1 Tạo diện tích mô phỏng 60 4.4.3.2. Tạo các thực thể giao thức và các nguồn sinh lưu lượng 60 4.4.3.3. Tạo các dạng chuyển động theo mẫu 61 4.4.4. Sơ đồ khái quát quá trình mô phỏng 64 4.5 Các tham số hoạt động của các giao thức định tuyến trong NS-2 65 4.5.1 Giao thức định tuyến DSDV 65 4.5.2 Giao thức định tuyến OLSR 66 4.5.3 Giao thức định tuyến AODV 66 4.5.4 Giao thức định tuyến DSR 67 Chương 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MỨC ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC NÚT MẠNG 68 5.1. Thực nghiệm mô phỏng 68 5.1.1 Các thông số mô phỏng 68 5.1.2 Chương trình mô phỏng 69 5.2. Các độ đo hiệu năng được dùng trong luận văn 70 5.3. Kết quả mô phỏng 70 5.3.1 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Waypoint 70 5.3.1.1 Thiết lập thông số mô phỏng 70 5.3.2.2 Kết quả và nhận xét 72 5.3.3 Mô phỏng sử dụng mô hình Random Walk 75 5.3.3.1 Thiết lập thông số mô phỏng 75 5.3.3.2 Kết quả và nhận xét 77 5.3.4 Đánh giá hiệu quả của các giao thức định tuyến 79 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 81 6.1. Kết quả đạt được của luận văn 81 6.2. Hướng nghiên cứu 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 84 7 Danh mục hình vẽ Hình 1. Phân loại các mạng không dây dựa trên quy mô. 14 Hình 2. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng 16 Hình 3. Mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng [10] 17 Hình 4. Mạng MANET và Sensor không dây [14] 21 Hình 5. Định tuyến Single-hop 23 Hình 6. Định tuyến Multi-hop 23 Hình 7. Mạng MANET phân cấp 24 Hình 8. Mạng MANET kết hợp 24 Hình 9. Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng MANET [13] 32 Hình 10. Tập chuyển tiếp đa điểm MPRs 34 Hình 11. Định tuyến Link State và định tuyến cải tiến trong OLSR 34 Hình 12. AODV tìm kiếm và duy trì tuyến đường 36 Hình 13. Ví dụ về Route discovery: nút A là nút nguồn, nút E là nút đích. 37 Hình 14. Ví dụ về Route maintenance: 38 Hình 15. Kiến trúc NS-2 44 Hình 16. Ba giai đoạn của một phiên truyền từ nút nguồn 1 đến nút đích 48 49 Hình 17. Hình tròn bao phủ biểu diễn khu vực tắc nghẽn 50 Hình 18. Hình tròn bao phủ biểu diễn khu vực nguy hiểm 51 Hình 19. iNSpect hiển thị tọa độ (x, y) của các nút 52 Hình 20. Nút di động mô phỏng trong NS2 53 Hình 21. Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 55 Hình 22. Sơ đồ của một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch CMU mở rộng ra NS [12] 57 Hình 23. Các mô hình truyền thông trong NS2 60 Hình 24. Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint 62 Hình 25. Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk 63 Hình 26. Sơ đồ tổng quan quá trình mô phỏng 64 Hình 27. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint 72 Hình 28. Đánh giá kết quả trễ đầu cuối trong mô hình Random Waypoint 72 Hình 29. Đánh giá kết quả thông lượng trong mô hình Random Waypoint 73 Hình 30. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóa trong mô hình Random Waypoint 73 Hình 31. Đánh giá kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Walk 77 Hình 32. Đánh giá kết quả trễ đầu cuối trong mô hình Random Walk 77 Hình 33. Đánh giá kết quả thông lượng trong mô hình Random Walk 78 8 Hình 34. Đánh giá kết quả tải chuẩn hóa trong mô hình Random Walk 78 9 Danh mục bảng Bảng 1. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.11 [2] 17 Bảng 2. Tổng quan về họ các chuẩn ETSI HIPERLAN [2] 17 Bảng 3. Tổng quan về họ các chuẩn IEEE 802.15 18 Bảng 4: So sánh độ phức tạp của các giao thức định tuyến 39 Bảng 5: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến 39 Bảng 6: So sánh các đặc điểm của các giao thức định tuyến 40 Bảng 7. Các tham số của mô hình Random Waypoint 62 Bảng 8. Các tham số của mô hình Random Walk 63 Bảng 9. Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2 65 Bảng 10. Các tham số hoạt động của OLSR trong NS2 66 Bảng 11. Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 66 Bảng 12. Các tham số hoạt động của DSR trong NS2 67 Bảng 13. Cấu hình các mạng mô phỏng trong mô hình Random Waypoint 71 Bảng 14. Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Walk 76 10 Bảng ký hiệu các chữ viết tắt AODV Ad hoc On-demand Distance Vector CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DARPA Defense Advanced Research Projects Agency DSDV Destination-Sequenced Distance Vector DSR Dynamic Source Routing DV Distance Vector ETSI European Telecommunications Standards Institute FCC US Federal Communications Commission FIFO First In First Out GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile communication HiperLAN High Performance European Radio LAN IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineering IETF Internet Engineering Task Force iNSpect interactive NS-2 protocol and environment confirmation tool ISM Industrial, Scientific and Medical bands LAN Local Area Network LS Link State MAC Media Access Control MANET Mobile Wireless Adhoc Network NEST Network Simulation Testbed NS2 Network Simulator 2 OLSF Open Shortest Path First OLSR Optimized Link State Routing Protocol [...]... độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳn khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao Đề tài luận văn này chỉ nghiên cứu sâu vấn đề định tuyến trong mạng MANET nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu. .. tầng mạng cố định Vấn đề đặt ra là đánh giá hiệu quả hoạt động của các giao thức định tuyến trong mạng MANET trên nhiều khía cạnh và phương di n khác nhau Một trong những yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của các giao thức định tuyến đó là sự linh động của các nút mạng Mục đích của luận văn là nghiên cứu các giao thức định tuyến kết hợp với việc đưa ra các kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả làm... hiệu quả của một số thuật toán định tuyến trong mạng MANET 26 Chương 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET Chương 3 trình bày vấn đề định tuyến trong mạng có dây truyền thống cùng những yêu cầu chung đối với các thuật toán trong mạng MANET để giải thích cho việc tạo và sử dụng những thuật toán định tuyến mới phù hợp với những đặc điểm của mạng MANET 3.1 Các giao thức định tuyến phổ biến trong mạng. .. mức độ di động của các nút mạng tăng cao Đề tài luận văn này nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của một số thuật toán định tuyến trong mạng MANET Về mặt thực tiễn, mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu thiết lập mạng khẩn cấp tại những nơi xảy ra thảm họa như: hỏa hoạn, lụt lội, động đất hay những nơi yêu cầu tính nhanh chóng, tạm thời như trong các. .. các giao thức định tuyến trình bày trong chương ba để rút ra những đánh giá về ảnh hưởng của sự di dộng của nút mạng đến hiệu quả của các giao thức định tuyến trong mạng MANET Cuối cùng, trong chương sáu là những nhận xét về kết quả đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn 14 Chương 2: MẠNG WLAN VÀ MẠNG MANET Mục tiêu của chương này là giới thiệu với người đọc những kiến thức cơ sở về mạng. .. trực tiếp với nút nhận Định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu MANET Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều có các ưu và nhược điểm riêng Điều đặc biệt là mức độ của các ưu nhược điểm phụ thuộc rất nhiều vào mức độ di động của các nút mạng Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toán khác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ... kỹ thuật flooding để tìm đường đi cho các gói tin trong mạng 3.1.1 Distance Vector Trong Distance Vector mỗi nút chỉ theo dõi chi phí của các liên kết đi ra của nó, nhưng thay vì quảng bá thông tin này đến tất cả các nút, nó quảng bá định kỳ đến các hàng xóm của nó một ước tính các khoảng cách ngắn nhất đến tất cả các nút khác trong mạng Các nút nhận sau đó sử dụng thông tin này để tính toán lại các. .. thám …Việc đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động đến hiệu quả của các thuật toán định tuyến giúp cho việc lựa chọn thuật toán định tuyến thích hợp cho các điều kiện cụ thể khi sử dụng MANET 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Các mạng AD HOC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cuộc sống như khoa học, giáo dục, y tế, quân sự … do nó có ưu điểm nổi bật là loại bỏ sự phụ thuộc vào các cơ sở... cách như sau: Cách đầu tiên để phân loại các giao thức định tuyến là phân chia chúng theo các thuật toán tập trung và phân tán Trong các thuật toán tập trung, tất cả các lựa chọn tuyến đường được thực hiện tại một nút trung tâm, trong khi ở các thuật toán phân tán, việc tính toán các tuyến đường được chia sẻ giữa các nút mạng Cách thứ hai phân loại các giao thức định tuyến liên quan đến sự thích ứng... để định tuyến giữa các cặp nguồn-đích có thể thay đổi để phản ứng với tắc nghẽn Còn cách phân loại thứ ba có liên quan nhiều đến các mạng Ad Hoc là phân loại các thuật toán định tuyến dựa trên cách thông tin định tuyến được tìm thấy và duy trì bởi các nút di động như thế nào, gồm có: định tuyến chủ ứng, định tuyến phản ứng và định tuyến lai Các giao thức chủ ứng cố gắng để đánh giá liên tục các tuyến . HỮU DŨNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DI ĐỘNG CỦA NÚT MẠNG ĐẾN HIỆU QUẢ CỦA CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET LUẬN. mức độ di động của các nút mạng tăng cao. Đề tài luận văn này nhằm mục đích đánh giá và so sánh ảnh hưởng của sự di động của nút mạng đến hiệu quả của một