vii 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG MANET 1 1 Tổng quan về mạng MANET 1 1 1 Khái niệm về mạng MANET (Mobile Adhoc Network) Với rất nhiều ưu điểm của công nghệ truyền thông không dây, các mạng di đ[.]
vii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG MANET 1.1 Tổng quan mạng MANET 1.1.1 Khái niệm mạng MANET (Mobile Adhoc Network) Với nhiều ưu điểm công nghệ truyền thông không dây, mạng di động không dây phát triển mạnh thời gian gần Có thể chia mạng di động khơng dây thành hai kiểu mạng: mạng có hạ tầng mạng khơng có hạ tầng Trong mạng có hạ tầng, truyền thơng phần tử mạng phụ thuộc vào hỗ trợ hạ tầng mạng, thiết bị đầu cuối di động qua điểm truy nhập (các trạm sở) Mạng MANET (Mobile Adhoc Network) tập hợp nút di động triển khai mà không cần sở hạ tầng tập trung Mạng ad hoc linh hoạt tự cấu hình Do có sở hạ tầng phân tán nên khơng có định tuyến cài đặt sẵn chuyển tiếp gói từ máy chủ sang máy chủ khác Nhiệm vụ phải đảm nhiệm nút di động phân tán mạng Mỗi nút có vai trị nhau, có nghĩa tất chúng hoạt động máy chủ định tuyến Do đó, hoạt động mạng phụ thuộc vào hợp tác nút để cung cấp tuyến truyền thông Trong MANET, nút hoạt động định tuyến máy chủ lưu trữ, chí cấu trúc liên kết mạng thay đổi nhanh chóng thiết bị di chuyển tự theo hướng Mỗi nút di động có phạm vi truyền giới hạn, gói tin từ nút nguồn cần chuyển tới nút đích khơng nằm phạm vi truyền nút nguồn Vì vậy, cần có trợ giúp nút trung gian để chuyển tiếp gói tin Để thực công việc này, nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp 1.1.2 Đặc điểm mạng MANET Do MANET mạng không dây hoạt động không cần hỗ trợ hạ tầng mạng sở sở truyền thông đa chặng thiết bị di động vừa đóng vai trị thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trị định tuyến nên mạng MANET cịn có số đặc điểm bật sau: Thiết bị tự trị đầu cuối (Autonomous terminal): thiết bị di động đầu cuối MANET node tự trị, mang chức host router Các node di động có khả xử lý host, vừa chuyển đổi chức router Hoạt động phân tán (Distributed operation): Vì khơng có hệ thống sở hạ tầng mạng nên việc kiểm soát quản lý hoạt động mạng đảm nhận thiết bị đầu cuối Các node MANET địi hỏi phải có phối hợp với hoạt động chuyển tiếp (relay) để thực chức Tơ pơ mạng động (dynamic network topology): node di động tự theo hướng, nên cấu trúc mạng kết nối thiết bị đầu cuối thay đổi theo thời gian MANET tự thích ứng định tuyến theo di động node mạng Các node mạng thiết lập định tuyến động với di chuyển tự hình thành mạng riêng với Ngoài ra, user MANET khơng hoạt động mạng MANET nội mà cịn u cầu truy cập vào mạng cố định khác, ví dụ mạng Internet Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết khơng dây thường có băng thơng nhỏ so với liên kết có dây Các kết nối chia sẻ qua vài chặng, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu yếu tố khác, thơng lượng hiệu dụng liên kết không dây thường thấp nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết môi trường truyền không dây Các thiết bị đầu cuối có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động mạng MANET nút cảm biến, điện thoại thông minh máy tính xách tay Thơng thường thiết bị có tài ngun hạn chế so với máy tính mạng có dây khơng dây truyền thống tốc độ xử lý, dung lượng nhớ lượng nguồn pin ni sống hoạt động nút Vì cần phải tối ưu hóa thuật tốn chế Độ bảo mật thấp mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường gặp vấn đề an ninh nhiều so với mạng có dây nghe lén, giả mạo công từ chối dịch vụ dễ triển khai mạng MANET mạng có dây truyền thống 1.1.3 Phân loại mạng MANET Mạng MANET đẳng cấp (phẳng, Flat): Trong mạng MANET đẳng cấp tất node có vai trị ngang hàng với (peer to peer) node đóng vai trị router định tuyến liệu gói mạng Kiến trúc mạng thích hơp topo có node di chuyển nhiều Mạng MANET phân cấp (Hierarchical): Đây mơ hình sử dụng phổ biến Trong mơ hình mạng chia thành domain, domain bao gồm nhiều cluster (cụm) cluster gồm nhiều node Có hai loại node master node nomal node Master node node quản trị, có chức router với nhiệm vụ chuyển liệu node cluster đến node cluster khác ngược lại (giống gateway) Normal node node nằm cluster Nó kết nối với node cluster kết nối với cluster khác thơng qua master node Hình 1.1 Mạng MANET phân cấp (Hierarchical) Mạng MANET kết hợp (Aggregate): Mỗi node bao gồm hai mức topo : Topo mức thấp (node level), topo mức cao (zone level) Mỗi node đặc trưng bởi: node ID zone ID Trong Zone áp dụng kiến trúc đẳng cấp kiến trúc phân cấp Hình 1.2 Mạng MANET kết hợp (Aggregate) 1.2 Các vấn đề cần giải 1.2.1 Định tuyến mạng MANET Việc thiết kế giao thức định tuyến mạng Adhoc thường xem xét số yếu tố sau [1] Hoạt động phân tán: cách tiếp cận tập trung thất bại tốn nhiều thời gian để tập hợp thơng tin trạng thái mạng, tính toán tuyến phân phát cho tất nút mạng Trong thời gian đó, cấu hình mạng có thay đổi, thơng tin định tuyến mà nút nhận khơng cịn giá trị sử dụng Khơng có lặp định tuyến: tượng xảy phần nhỏ gói tin quay vịng mạng khoảng thời gian Một giải pháp áp dụng sử dụng giá trị thời gian hạn cho gói tin Tính tốn đường dựa u cầu: thay việc tính tốn trì định tuyến tới tất nút tất thời điểm, kể chưa có u cầu truyền, việc thích ứng với dạng truyền thơng, thực tìm đường nút có yêu cầu truyền đến nút khác mạng Mục đích để tiết kiệm lượng băng thông, độ trễ định tuyến tăng lên phát đường cần thời gian Tính tốn đường trước: Khi cần có độ trễđịnh tuyến nhỏvà băng thông tài nguyên lượng cho phép, việc tính tốn đường trước có u cầu truyền giảm độ trễ phân phát gói tin Bảo mật: Giao thức định tuyến mạng Adhoc có khả bị công dễ dàng số dạng xâm nhập truyền thông, phát lại, thay đổi tiêu đề gói tin, điều hướng thơng điệp định tuyến Do vậy, cần có phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động giao thức Hoạt động nghỉ: giao thức định tuyến cần có chế bảo tồn lượng nút có thể, ví dụ nút khơng có u cầu truyền khơng có nhiệm vụ chuyển tiếp gói tin cho nút khác Hỗ trợ liên kết đơn hướng: Khi thực định tuyến đa chặng mạng Adhoc, giao thức cần hỗ trợ trường hợp có số chặng liên kết đơn hướng, nghĩa tuyến đường từ nút nguồn đến nút đích tuyến đường từ nút đích đến nút nguồn khơng hồn tồn trùng 1.2.2 Vấn đề tiết kiệm lượng Để thiết lập tuyến đường nút, giao thức định tuyến hiệu cần thiết kế để việc khám phá đường mạng MANET Năng lượng nút tiêu chí thiết kế quan trọng cho mạng MANET cấu trúc liên kết động mạng MANET Các nút di động thường sử dụng pin nên thời gian hoạt động phụ thuộc vào dung lượng pin chung Khi nút di động bị ngưng hoạt động hết lượng ảnh hướng tới tất kết nối đa chặng qua phải xây dựng lại đường định tuyến mới, làm giảm hiệu suất mạng Việc xây dựng tuyến đường hay khôi phục tuyến đường bị lỗi cần đến việc gửi, nhận xử lý nhiều gói tin tiếp tục tiêu hao lượng node lớn hơn, từ làm ảnh hưởng đến thời gian hoạt động mạng giảm bớt Ngoải ra, nút di động việc chủ động gửi nhận gói tin, trạng thái nhàn rỗi phải liên lạc với nút khác mạng xem có u cầu truyền thơng từ nút khác hay khơng Để có giao thức định tuyến sử dụng lượng hiệu giao thức làm giảm thiểu lượng dành cho việc truyền nhận gói liệu, sửa lỗi thời gian không hoạt động Nó xác định đường tối ưu để giảm thiểu lượng cần để chuyển gói liệu đến đích khơng hoạt động chuyển sang trạng thái ngủ để tranh tiêu hao lượng Điều dẫn đến việc tiết kiệm lượng cách đáng kể, đặc biệt ứng dụng truyền thơng mạng có u cầu truyền thơng thấp Tuy nhiên địi hỏi giao thức định tuyến thiết kế tốt để đảm bảo khả truyền liệu hầu hết nút ngủ khơng chuyển tiếp gói tin cho nút khác Một cách tiếp cận khác để tối ưu hóa lượng hoạt động phương pháp phân phối tải Đối với việc xác định tuyến tối ưu tắt tạm thời nút không sử dụng để giảm thiểu tiêu hao lượng nút riêng biệt, mục tiêu phương pháp phân bổ tải trọng để cân việc sử dụng lượng nút để tối đa hóa tuổi thọ mạng cách tránh việc sử dụng thường xuyên số nút mạng định lựa chọn đường định tuyến, dù tuyến qua nút tuyến tối ưu [1] 1.2.3 Vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ 1.2.3.1 Giới thiệu QoS (Quality of Service) khả giúp cho việc truyền liệu với thời gian trễ, tỉ lệ mất/ lỗi gói tin nằm phạm vi cho phép cung cấp băng thông đủ lớn cho ứng dụng truyền thông đa phương tiện thời gian thực Vấn đề chất lượng dịch vụ nghiên cứu triển khai áp dụng môi trường mạng Internet mạng khác từ lâu, vấn đề đề cập đến định tuyến có QoS, đảm bảo QoS cách kiểm soát truy cập đặt trước tài nguyên Mạng MANET mạng có dây truyền thống có khác biệt tính di động, hạ tầng mạng, nguồn lượng nút mạng khả tự tổ chức kiến trúc mạng Sự khác biệt làm nảy sinh nhiều khác biệt yêu cầu cải tiến mảng toán mơ hình hóa, điều khiển mơi trường truyền, định tuyến, bảo mật, tổ chức thông tin, đảm bảo chất lượng dịch vụ, tiết kiệm lượng cho nguồn… 1.2.3.2 Những vấn đề việc đảm bảo chất lượng dịch vụ [3] Kiểm soát phi tập trung (Decentralized control) Các nút tham gia rời khỏi mạng liên tục mạng thiết lập tự phát -> dẫn đến phức tạp thuật tốn Kênh khơng thể dự đoán trước: Lỗi bit cố phát sinh kênh không dây không đáng tin cậy Các kênh gây tỷ lệ lỗi bit cao nhiễu, nhiễu nhiệt, hiệu ứng fading đa đường, v.v Điều nàydẫn đến tỷ lệ phân phối gói thấp Ngồi cịn dẫn đến thơng tin mơi trường xung quanh Sự mát liệu (Data Loss): Mất liệu gói qtrình gửi liệu Bảo trì tuyến đường (Route Maintenance): Bản chất động topo mạng thay đổi môi trường truyền thônglàm cho việc trì thơng tin trạng thái mạng khó khăn - Các đường định tuyến thiết lập bị hỏng suốtq trình truyền liệu, dẫn đếnsự cần thiết phải trì tái thiết đường định tuyến với chi phí tối thiểu giải nguyên nhân kết nội - Định tuyến có QoS yêu cầu đặt tài nguyên nút trung gian Sự di động nút mạng (Node mobility):các nút nút di động, chúng di chuyển cách độc lập ngẫu nhiên hướng tốc độ thông tin tô pô mạngcần phải cập nhật thường xuyên phù hợp để cung cấp định tuyến giảm tỷ lệ gói Nguồn lượng dung lượng thấp: Các nút di động có nguồn điện hạn chế so với nút mạng có dây.Việc cung cấp QoS tiêu tốn nhiều điện làm giảm hoạt động nút Tính an ninh thích hợp: nút không dây di động nên bảo mật kém, dễ bị truy cập trái phép nên khó đảm bảo QoS Vì cần thiết kế giao thức đảm bảo an toàn bảo mật cho mạng 1.2.3.3 Các tham số Các ứng dụng khác có yêu cầu QoS khác Ví dụ, ứng dụng Multimedia dải thơng (bandwidth), độ trễ (delay) biến động trễ (delay-jitter) tham số Các ứng dụng qn địi hỏi u cầu bảo mật nghiêm ngặt [3] Khả đáp ứng(Responsiveness): quan trọng việc trải nghiệm mạng người dùng Dung lượng thông lượng (Capacity and throughput): thước đo quan trọng người dùng với ứng dụng mạng, định nghĩa tốc độ gửi nhận liệu Độ trễ (Delay):thời gian cần thiết cho gói tin truyền tới đích Trễ lan truyền (Propagation Delay): thời gian từ lúc truyền đến kết thúc nhận gói tin liên kết Thời gian – RTT (Round-Trip Time): thời gian gửi + thời gian xác nhận nhận Biến động trễ - Delay Variation (Jitter) độ lệch khơng mong muốn có thay đổi tỉ lệ xuất gói tin định kỳ 1.3 Các độ đo hiệu dùng luận văn Theo nghĩa chung, hiệu độ đo công việc mà hệ thống thực Hiệu chủ yếu xác định tính sẵn sàng để dùng, thông lượng thời gian đáp ứng Trong mạng Adhoc, giới hạn tài nguyên mạng yêu cầu giao thức bên cạnh yếu tố hiệu suất nêu cần đảm bảo việc dùng hiệu tài nguyên hạn chế Với giao thức định tuyến, chi phí để thực yêu cầu định tuyến thể mức tải định tuyến Do vậy, luận văn sử dụng độ đo sau để đánh giá hiệu giao thức định tuyến mạng mô phỏng: [1] Tỉ lệ gói tin phân phát thành cơng (Packet delivery fraction): Là tỷ lệ số gói tin phân phát thành cơng tới đích so với số gói tin tạo nguồn phát Trễ đầu cuối trung bình gói liệu (Average end to end data packet delay): Là độ trễ toàn phần tính từ gói tin phát từ ứng dụng phát nhận ứng dụng nhận bao gồm trễ trễ trình phát đường, xếp hàng hàng đợi, trễ phát lại tầng MAC, thời gian trễ truyền Thông lượng liệu đầu cuối (End-to-end data throughput): Tổng số liệu gói tin tạo nguồn đo khoảng thời gian mơ phỏng, tính kbit/s Tải định tuyến chuẩn hóa (Normalized Routing Load): Là tỷ lệ số gói tin định tuyến số gói tin liệu phân phát thành cơng Nếu gói tin định tuyến qua nhiều chặng chặng tính lần truyền thông 1.4 Giới thiệu mô NS2 sử dụng để đánh giá hiệu mạng 1.4.1 Giới thiệu NS2 NS-2 phần mềm mô mạng, hoạt động điều khiển kiện rời rạc NS-2 thiết kế phát triển theo kiểu hướng đối tượng, phát triển đại học California, Berkely Bộ phần mềm viết ngơn ngữ C++ OTcl [7] Hình 1.3: Cấu trúc NS-2 Để sử dụng NS-2, người dùng lập trình ngơn ngữ kịch OTcl người dùng thêm mã nguồn Otcl vào NS-2 cách viết lớp đối tượng OTcl Những lớp biên dịch với mã nguồn gốc Kịch OTcl thực việc sau: - Khởi tạo Bộ lập lịch Sự kiện - Thiết lập Mơ hình mạng dùng đối tượng Thành phần Mạng - Báo cho nguồn traffic bắt đầu truyền ngưng truyền packet Bộ lập lịch Sự kiện Phụ thuộc vào mục đích user kịch mô OTcl mà kết mơ lưu trữ file trace Định dạng file trace tải vào ứng dụng khác để thực phân tích: - File nam trace (file.nam) dùng cho công cụ minh họa mạng NAM - File Trace (file.tr) dùng cho công cụ Lần vết Giám sát Mô XGRAPH hay TRACEGRAPH ... giao thức AODV nhằm đảm bảo hỗ trợ QoS? ?? Luận văn bao gồm mục đích sau: Nghiên cứu đặc điểm mạng MANET,nghiên cứu giao thức định tuyến các? ?ề xuất cải tiến giao thức định tuyến có đảm bảo QoS mạng... vấn đề khơng dây tính chất động mạng Adhoc khiến cho việc thiết kế giao thức định tuyến làm việc hiệu mạng Adhoc tồn khó 12 Chính vậy, tơi chọn đề tài nghiên cứu: ? ?Các đề xuất cải tiến giao thức. .. kém, dễ bị truy cập trái phép nên khó đảm bảo QoS Vì cần thiết kế giao thức đảm bảo an toàn bảo mật cho mạng 1.2.3.3 Các tham số Các ứng dụng khác có yêu cầu QoS khác Ví dụ, ứng dụng Multimedia