định tuyến trong mạng ad hoc vô tuyến

3 3 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN DUY TÂN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội 2009 4 4 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN DUY TÂN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC VÔ TUYẾN Ngành: Công Nghệ Thông Tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN HỒNG QUÂN Hà Nội 2009 5 5 MỤC LỤC MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH 8 BẢNG KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT 10 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 13 1.1. Giới thiệu chung 13 1.2. Phân loại mạng không dây 14 1.3. Mạng cá nhân WPAN (Wireless Personal Area Networks) [5]-[7]-[8]-[12] 15 1.4. Mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network) [5]-[7]-[8]-[12] 15 1.4.1. Lịch sử ra đời mạng WLAN 16 1.4.2. Một số ưu điểm của mạng WLAN 16 1.4.3. Nhược điểm của WLAN 17 1.4.4. Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng 18 1.4.5. Mạng Ad Hoc (MANET) [5]-[7]-[8]-[12] 19 1.4.5.1. Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng Ad Hoc 19 1.4.5.2. Một số mạng Ad hoc điển hình 20 1.4.5.3. Các ứng dụng của mạng Ad hoc 21 1.5. Mạng đô thị không dây WMAN [7]-[14] 22 1.6. Tóm tắt chương 24 CHƯƠNG II: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.11 25 2.2. Mô hình kiến trúc mạng không dây so với mô hình OSI [8] 25 2.3. Kiến trúc giao thức mạng WLAN theo chuẩn 802.11 [8]-[7]-[11]-[14] 27 2.3.1. IEEE 802.11b 27 2.3.2. IEEE 802.11a 27 2.3.4. IEEE 802.11i 28 2.3.5. IEEE 802.11n 29 2.4. Lớp Vật Lý (Physical Layer) 29 2.4.1. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần [3]-[8]-[13] 30 2.4.2. Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum) [3]-[8]-[13] 31 2.4.3. Kỹ thuật sử dụng hồng ngoại (Infrared Physical Layer) [3]-[4] 33 2.4.4. Kỹ thuật OFDM [3]-[8]-[10]-[14] 33 2.5. Lớp điều khiển truy cập môi trường truyền [7]-[10] 35 2.5.1. Giao thức truy cập CSMA/CA [8] 36 2.5.2. Chức năng phối hợp phân tán 39 2.5.2.1. DCF sử dụng phương pháp CSMA/CD [8]-[11] 39 2.5.2.2. Sử dụng gói tin điều khiển RTS/CTS 40 2.5.2.3. DCF sử dụng gói tin RTS/CTS để giải quyết vấn đề Hidden Terminal41 6 6 2.5.3. Chức năng phối hợp theo điểm [8]-[11] 42 2.6. Định dạng gói tin tầng MAC [8] 44 2.6.1. Khuôn dạng gói tin tầng MAC 44 2.6.2. Định dạng gói tin điều khiển ACK, RTS, CTS 45 2.7. Lớp quản lý tầng MAC (MAC Management) 45 2.7.1. Sự đồng bộ hóa (Synchronization) [11] 45 2.7.2. Quản lý năng lượng (Power Management) 47 2.7.3. Quản lý chuyển vùng (Handoff) 49 CHƯƠNG III: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC 51 3.1. Giới thiệu về định tuyến trong mạng Ad hoc [9]-[10]-[11]-[12] 51 3.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến cho mạng Ad hoc không dây 52 3.2. Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng Ad Hoc [11]-[12] 55 3.2. Định tuyến theo vecter khoảng cách tuần tự đích (DSDV - Destination Sequenced Distance Vector) [4]-[5]-[10]-[11]-[12] 56 3.3. Định tuyến theo trạng thái đường liên kết tối ưu [5]-[11]-[12] 58 3.4. Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) [5]-[11]-[12] 60 3.5. Định tuyến nguồn động (DSR - Dynamic Source Routing) [5]-[10]-[11] 62 3.6. Giao thức định tuyến vùng (ZRP - Zone Routing Protocol) [11]-[12] 64 3.7. Tóm tắt 66 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐỂ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 67 4.1. Bộ mô phỏng mạng NS2 [2]-[15]-[20] 67 4.1.1. Giới thiệu 67 4.1.2. Sự liên kết giữa C++ và OTCL 68 4.1.3. Mô hình kiến trúc NS2 69 4.1.4. Các đặc điểm chính của NS2 69 4.1.5. Khả năng mô phỏng của NS 69 4.2. Mô phỏng mạng di động không dây 802.11 trong NS [18]-[20]-[21] 70 4.2.1. Các mô hình truyền sóng vô tuyến 70 4.2.1.1. Mô hình FreeSpace 70 4.2.1.2. Mô hình hai tia mặt đất (Two Ray Ground) 71 4.2.1.3. Mô hình Shadowing 71 4.2.2. Tạo một nút di động (Mobile Node) 73 4.2.3. Tạo sự chuyển động cho Node (Creating Node movements) 77 4.2.4. Tạo bộ lập lịch sự kiện (Creating Event Scheduler) 79 4.2.5. Ghi lại vết các sự kiện mô phỏng (vào file *.tr, *.nam) 79 4.2.6. Tạo ra các kết nối TCP và nguồn sinh lưu lượng 79 4.2.7. Tạo ra các kết nối UDP và nguồn sinh lưu lượng 80 4.3. Cấu trúc tệp vết đối với mạng di động không dây theo chuẩn 802.11 [16]-[18]- [19]-[20]-[21] 80 7 7 4.4. Các công cụ xử lý sau khi mô phỏng 84 4.4.1. Sử dụng Grep 84 4.4.2. Xử lý file dữ liệu với Awk 84 4.4.3. Xử lý file dữ liệu với Perl 84 4.3.5. Vẽ đồ thị với gnuplot [26] 85 4.3.6. Vẽ đồ thị với xgraph [27] 85 4.3.7. Tổng hợp dữ liệu với Trace graph [23]-[24]-[25] 85 4.5. Mô phỏng mạng Ad hoc theo chuẩn IEEE 802.11 85 4.5.1. Thiết lập topo mạng Ad hoc 85 4.5.2. Thực hiện mô phỏng 86 4.5.3. Đánh giá hiệu năng các giao thức mạng 87 4.5.3.1. Thông lượng trung bình 87 4.5.3.2. Độ trễ trung bình 88 4.5.3.3. Thăng giáng độ trễ trung bình 88 4.5.3.4. Tỷ lệ mất gói tin 89 4.5.4. Đánh giá các tuyến đường được thiết lập trong thời gian mô phỏng 90 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 8 8 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Tổng quan về mạng vô tuyến 14 Hình 1.2 : Tổng quát về các chuẩn mạng không dây 14 Hình 1.3: Mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng 18 Hình 1.4: Mô hình mạng không dây Ad hoc 20 Hình 1.5: Mạng Ad Hoc điển hình 20 Hình 2.1: Các chuẩn giao thức IEEE 802 và mô hình OSI 26 Hình 2.2: Mô hình kiến trúc theo chuẩn 802.11 26 Hình 2.3: Các lựa chọn chuẩn 802.11b 27 Hình 2.4: Định dạng của một frame quy định trong FHSS 802.11 PHY 30 Hình 2.5: Các kênh và dải tần số hoạt động trùng nhau đáng kể 32 Hình 2.6: Các kênh không xung đột nhau khi ở cùng một khu vực 32 Hình 2.7: Định dạng của một frame quy định trong DSSS 802.11 32 Hình 2.8: Trực giao sóng mang con OFDM trong miền tần số 34 Hình 2.9. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 34 Hình 2.10 : Quá trình mã hóa và điều chế theo OFDM 35 Hình 2.11: Tầng MAC và tầng vật lý theo chuẩn 802.11 36 Hình 2.12: Định nghĩa các khoảng thời gian truy cập môi trường truyền 36 Hình 2.13: Minh họa về khoảng tranh chấp truy cập CSMA/CA 37 Hình 2.14: Minh họa về giao thức truy cập CSMA/CA với 5 trạm 37 Hình 2.16: Gửi dữ liệu unicast theo DFWMAC 39 Hình 2.17: Phân mảnh gói tin gửi dữ liệu unicast theo DFWMAC 39 Hình 2.18: DCF sử dụng giao thức CSMA/CA 40 Hình 2.19: DCF sử dụng gói tin RTS/CTS 40 Hình 2.20: Hiện tượng đầu cuối ẩn 41 Hình 2.21: Giải quyết hiện tượng đầu cuối ẩn 42 Hình 2.22: Hiện tượng trạm cuối lộ 42 Hình 2.23:Cơ chế RTS/CTS giải quyết vấn đề trạm cuối ẩn 42 Hình 2.24: Mô tả chu kỳ hoạt động của PCF 43 Hình 2.25: Khuôn dạng gói tin tầng MAC 44 Hình 2.26: Khuôn dạng gói tin ACK 45 Hình 2.27: Khuôn dạng gói tin RTS 45 Hình 2.28: Khuôn dạng gói tin CTS 45 Hình 2.29: AP gửi gói tin beacon trong mạng không dây cơ sở hạ tầng 46 Hình 2.29: Truyền gói tin beacon trong mạng ad-hoc 47 Hình 2.30: Quản lý năng lượng trong mạng dựa trên cơ sở hạ tầng 48 Hình 2.31: Quản lý năng lượng trong mạng ad-hoc 49 Hình 3.1: Ví dụ về việc phân chia vùng trong mạng Ad Hoc 55 9 9 Hình 3.2: Phân loại các giao thức định tuyến mạng Ad hoc 56 Hình 3.3: Minh họa bảng định tuyến của DSDV 57 Hình 3.4: Bộ chuyển tiếp đa điểm (Multipoint relays) 59 Hình 3.5: AODV Khám phá và duy trì tuyến 61 Hình 3.6: DSR quá trình khám phá tuyến 63 Hình 3.7: ZRP bán kính vùng 65 Hình 3.8: Ví dụ khám phá đường đi ZRP 65 Hình 4.1. Mô hình tổng quan bộ mô phỏng NS-2 67 Hình 4.2: C++ và OTcl, hai thành phần đối ngẫu 68 Hình 4.3: Kiến trúc của NS 69 Hình 4.4: Một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch của CMU mở rộng ra NS 76 Hình 4.5: Một SRNode dưới chuẩn wireless của Monarch của CMU mở rộng ra NS.77 Hình 4.6: Đồ hình mô phỏng 50 node mạng ah hoc 86 Hình 4-7: Thông lượng trung bình của toàn mạng 87 Hình 4-8: Độ trễ trung bình của toàn mạng 88 Hình 4-9: Thăng giáng độ trễ trung bình của toàn mạng 89 Hình 4-10: Tỷ lệ mất gói tin trên toàn mạng 89 10 10 BẢNG KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement AES Advanced Encryption Standard AODV Ad Hoc On-Demand Distance Vector AP Access Point ATIM Ad-hoc Traffic Indication Map BSS Basic Service Set BSSID Basic Service Set Identifier CCK Complementary Code Keying CCA Clear Channel Assessment CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect CTS Clear To Send COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing CW Contention Window DCF Distributed Coordination Function DIFS DCF Interframe Space DS Destination Station DSDV Destination Sequenced Distance Vector DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum DTIM Delivery Traffic Indication Map EIRP Effective Isotropic Radiated Power FCC Federal Communication Commission FEC Forward Error Correction FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum GFSK Gaussian shaped FSK Frequency Shift Keying HEC Header Error Check IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IARP Intrazone Routing Protocol ISM Industry Scientific Medical ISM Industrial, Scientific and Medical band IERP Interzone Routing Protocol LAN Local Area Network 11 11 LLC Logical Link Control MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad Hoc Network MPR Multipoint Relays MPRs Multipoint Relays Selector NAM Network Animator NAV Net Allocation Vector NEST Network Simulation Testbed NIC Network Interface Card NLOS Non-Line-of-Sight NS2 Network Simulation Version 2.0 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OLSR Optimized Link State Routing PCF Point Coordination Function PLCP Physical Layer Convergence Procedure PMD Physical Medium Dependent PHY Physical PSP Power Saving Poll QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying REAL Realistic and Large RREQ Route Request RREP Route Reply RERR Route ERRor RTS Request To Send SAP Service Access Point SFD Start Frame Delimiter SIFS Short Interframe Space SNAP Sub-network Access Protocol TIM Traffic Indication Map TKIP Temporal Key Integrity Protocol TMIM Traffic Map Indication Map TSF Timing Synchronization Function UNII Unlicensed National Information Infrastructure VINT Virtual InterNetwork Testbed WAN Wide Area Network WEP Wired Encryption Privacy 12 12 WIFI Wireless Fidelity WiMAX World Interoperability for MicroAccess WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WPAN Wireless Personal Area Networks WWAN Wireless Wide Area Network WWiSE WorldWide Spectrum Efficiency ZRP Zone Routing Protocol [...]... trì năng lượng cho các nút mạng của mạng Ad hoc là vấn đề đáng quan tâm vì các nút mạng trong mạng Ad hoc thường dùng pin để duy trì sự hoạt động của mình - Tính bảo mật trong truyền thông của mạng Ad hoc là không cao do truyền thông trong không gian sử dụng sóng vô tuyến( radio) lên khó kiểm soát và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều Việc thiết lập các mạng Ad hoc có thể thực hiện nhanh... các nút mạng thường chủ yếu là pin Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong mạng vô tuyến Ad Hoc cũng là vấn đề vô cùng quan trọng Nó quyết định rất lớn đến hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống mạng 13 14 Hình 1.1: Tổng quan về mạng vô tuyến 1.2 Phân loại mạng không dây Nếu sự phân loại của mạng có dây dựa vào quy mô hoạt động cũng như phạm vi ứng dụng như: mạng LAN,... giới thiệu khái quát về lịch sử phát triển của mạng Ad hoc cũng như những công nghệ hiện đang được sử dụng trong mạng vô tuyến Ad hoc và vấn đề định tuyến trong mạng Ad hoc là vấn đề rất đáng được quan tâm vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu năng của mạng, vấn đề đó đã làm định hướng cho việc nghiên cứu các chương tiếp theo 24 25 CHƯƠNG II: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG KHÔNG DÂY 802.11 2.1 Giới thiệu Chương... Ad Hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự tổ chức và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong mạng cần có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi Khi có một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến, Mạng Ad Hoc có nhiều... quốc gia quy định nhằm tránh việc xung đột sóng radio 17 18 của các mạng khác nhau Do đó, việc sản xuất các sản phẩm cho mạng WLAN cần phải chú ý đến quy định của từng quốc gia - Cuối cùng là phạm vi phủ sóng của mạng không dây Các mạng không dây chỉ hoạt động trong phạm vi nhất định Nếu ra khỏi phạm vi phát sóng của mạng thì chúng ta không thể kết nối mạng 1.4.4 Mạng WLAN có cơ sở hạ tầng Mạng WLAN có... của mạng và của điểm truy cập mạng Khái niệm Indoor và Outdoor: Indoor là khái niệm sử dụng sóng vô tuyến trong phạm vi không gian nhỏ, như trong một tòa nhà, một văn phòng Outdoor là khái niệm sử dụng sóng vô tuyến trong phạm vi không gian lớn hơn, với WLAN thì bán kính đến các thiết bị mà nó quản lý có thể từ 5km đến 20 km Hình 1.3: Mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng 18 19 1.4.5 Mạng Ad Hoc. .. các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là rất khó khăn và tốn kém Vậy ở những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinh hoặc mạng Ad Hoc - Tính hiệu quả: Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad hoc Ví dụ như với một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cập mạng lên các nút mạng muốn... của mạng Ad Hoc - Mạng Ad Hoc là mạng bao gồm các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) các thiết bị PDA hay các điện thoại thông minh(smart phone) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành lên kết nối ngang hàng (peer-to-peer) giữa chúng Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải thông qua máy chủ (server) quản trị mạng - Mạng Ad Hoc. .. cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ tầng Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Ad Hoc thường được viết tắt là MANET Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các nút mạng. .. kỹ năng đặc biệt nào Vì vậy mạng Ad hoc rất thích hợp cho việc truyền thông tin giữa các nút trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫn nhau 19 20 Hình 1.4: Mô hình mạng không dây Ad hoc 1.4.5.2 Một số mạng Ad hoc điển hình Time =t1 Good . III: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC 51 3.1. Giới thiệu về định tuyến trong mạng Ad hoc [9]-[10]-[11]-[12] 51 3.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định. lượng trong mạng ad- hoc 49 Hình 3.1: Ví dụ về việc phân chia vùng trong mạng Ad Hoc 55 9 9 Hình 3.2: Phân loại các giao thức định tuyến mạng Ad hoc