(Tiểu luận) nghiên cứu các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu trên mạng manet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET LUÂ%N VĂN THẠC S' KHOA HỌC CÔNG NGHÊ% THÔNG TIN Huế 2009 h BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET CHUYÊN NGNH: KHOA HỌC M䄃ĀY T䤃ĀNH M S퐃Ā: 60.48.01 NGƯỜI HƯƠꀁNG D$N KHOA HỌC TS V& THANH TU h HuĀ 2009 h LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa công bố cơng trình khác H漃⌀c viên Ph愃⌀m Văn Trung h LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Võ Thanh Tú, người tận tình dẫn dắt t愃⌀o điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đ愃⌀i học Khoa học Huế, thầy giáo Viện Công nghệ Thông tin trường Đ愃⌀i học Bách Khoa Hà Nội, cán phòng Quản lý Khoa học - Đối ngo愃⌀i, người trực tiếp giảng d愃⌀y, giúp đỡ t愃⌀o điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn trường Đ愃⌀i học Ph愃⌀m Văn Đồng Quảng Ngãi, Khoa Công nghệ thông tin t愃⌀o điều kiện để tơi học hồn thành tốt khố học Xin chân thành cảm ơn anh chị lớp cao học Khoa học máy tính khố 2007 b愃⌀n đồng nghiệp bên c愃⌀nh, động viên, khuyến khích tơi suốt thời gian học tập thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! Học viên Ph愃⌀m Văn Trung h M唃⌀C L唃⌀C LƠꀀI CAM ĐOAN LƠꀀI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC K夃Ā HIÊ%U, CÁC CHƯ꼃 VIẾT TĂȁT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, LƯU ĐÔ DANH MỤC CÁC HjNH Vk, ĐÔ THỊ MỤC LỤC .11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 13 1.1 Giới thiệu mạng không dây 13 1.2 Phân loại mạng không dây: 14 1.2.1 Theo quy mô triển khai mạng: 14 1.2.2 Theo quan hệ di động định tuyến nút mạng: 16 1.3 Một số mơ hình mạng khơng dây 17 1.3.1 Mơ hình mạng độc lập (Independent Basic Service sets – IBSS hay g漃⌀i mạng Ad hoc): 18 1.3.2 Mơ hình mạng sở (Basic Service sets – BSS): 18 1.3.3 Mô hình mạng mở rộng (Extended Service sets – ESS) .19 1.4 Yêu cầu thiết bị sử dụng mạng không dây: 19 1.4.1 Điểm truy cập: (AP – Access Point): 19 1.4.2 Thiết bị truy câ %p không dây: 22 1.4.3 Yêu cầu thiết bị sử dụng mạng MANET: 22 1.5 Những đặc điểm ứng dụng mạng không dây: 23 h 1.5.1 Những đặc điểm mạng khơng dây: .23 1.5.2 Những ứng dụng mạng không dây: 23 1.5.2.1 Công nghệ WiMax: 23 1.5.2.2 Công nghệ Wireless USB (WUSB): .24 1.5.2.3 Công nghệ Ultra WideBand (UWB): 25 1.6 Kết luận chương 1: 27 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET .30 2.1 Giới thiệu định tuyến hệ thống mạng máy tính: 30 2.2 Mơ %t số th %t tốn định tuyến mạng: 30 2.2.1 Thuật toán Vectơ khoảng cách (Distance Vector): 30 2.2.2 Thuật toán trạng thái kết nối (Link State): 32 2.3 Các giao thức định tuyến mạng MANET 33 2.3.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing Protocol): 35 2.3.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu (On-Demand Routing Protocol): 36 2.3.3 Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol): 37 2.4 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu mạng MANET: 37 2.4.1 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing): 38 2.4.1.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery): 39 2.4.1.2 Cơ chế trì thơng tin định tuyến (Route Maintanance): 45 2.4.2 Giao thức AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector): 46 2.4.2.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery): 47 h 2.4.2.2 Cơ chế trì thơng tin định tuyến: .50 2.5 So sánh đánh giá hiệu làm việc giao thức: 50 2.6 Kết luận chương 2: 51 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIÊ%U SU숃ĀT MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET 53 3.1 Giới thiệu môi trường mô NS: 53 3.2 Mô mạng không dây môi trường NS: .56 3.2.1 Tạo MobileNode NS 56 3.2.2 Tạo hoạt động cho Node: 57 3.2.3 Các thành phần cấu thành mạng MobileNode: 58 3.2.4 Viết mã tcl để thực thi mô mạng wireless 59 3.3 Thiết kế mơ hình mạng để mô cho giao thức định tuyến theo yêu cầu mạng MANET: 61 3.4 Phân tích kết mơ phỏng: .62 3.4.1 Trường hợp số nguồn phát thay đổi, tôpô cố định: .63 3.4.2 Kết mô trường hợp số nguồn phát cố định, tôpô thay đổi theo thời điểm: 65 3.5 Kết luâ %n chương 3: 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 h DANH M唃⌀C C䄃ĀC K夃Ā HIÊ1U, C䄃ĀC CHƯ꼃 VI쨃ĀT TĂȁT AODV AP BSS DSR ESS IBSS IEEE LAN MANET RREP RREQ RRER UWB WiMAX WLAN WPAN WUSB WWAN Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing Access Point Basic Service Set Dynamic Source Routing Extended Service sets Independent Basic Service sets Institute of Electrical and Electronics Engineers Local Area Network Mobile Ad Hoc Network Route Reply Route Request Route Error Ultra-WideBand Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Wireless Persional Area Network Wireless Universal Serial Bus Wireless Wide Area Network h DANH M唃⌀C C䄃ĀC BẢNG BI7U, LƯU ĐƠ TRANG B9ng 2.1 Thơng tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4042 B9ng 2.2 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4043 B9ng 2.3 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4043 B9ng 2.4 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4044 Lưu đ? 2.1 Cơ chế xử l礃Ā khám phá đường node DSR .40 Lưu đ? 2.2 Cơ chế xử l礃Ā khám phá đường node AODV 48 h có đệm đơn cho packet Khi gửi thêm packet đến đích mà gửi ARP packet ban đầu đệm s› bị hủy (drop) Khi biết địa hardware packet, packet thêm vào hàng giao tiếp (interface queue) hop - Interface Queue: Lớp PriQueue thực thi hàng đợi ưu tiên đưa quyền ưu tiên để định tuyến packet, thêm chúng vào đầu hàng đợi Nó hỗ trợ trình thực thi tất packet hàng đợi gỡ bỏ packet với địa đích đến - Mac Layer IEEE 802.11: phân phối chức t漃⌀a độ DCF (distributed coordination function, giao thức MAC thực thi CMU Nó sử dụng khuôn dạng RTS/CTS/DATA/ACK cho tất packet unicast đơn giản gửi data cho tất packet broadcast Quá trình thực thi sử dụng phương thức cảm nhận sóng mang dạng vật l礃Ā lẫn dạng ảo - Tap Agents: Các agents mà phân lớp tự đăng k礃Ā với đối tượng MAC b™ng cách sử dụng phương thức installTap() Nếu giao thức MAC cụ thể cho phép, Tap s› đưa paket nhận lớp MAC cách lộn xộn, trước trình l漃⌀c địa thực - Network Interfaces: Lớp giao tiếp mạng (Network Interphase) đáp ứng giao tiếp phần cứng (hardware interface) sử dụng mobilenode để truy suất đến kênh truyền thông Giao diện môi trường truyền thong wireless chia s› thực thi lớp Phy/WirelessPhy Giao diện tùy thuộc vào q trình collision mơ hình truyền bá radio nhận packet truyền qua giao diện node khác đến kênh truyền - Mơ hình truyền bá Radio: Sử dụng cơng thức tính suy giảm khoảng cách gần 1/r2 khỏang cách xa 1/r4 - Antenna: sử dụng với mục đích chung mobilenodes 3.2.4 Các bước viĀt mã tcl để thực thi mô mạng wireless: [8] h - Bước 1: Tạo thể mô - Bước 2: Tạo file trace để lưu vết mô - Bước 3: Tạo đối tượng topo - Bước 4: Thiết lập không gian di chuyển cho node - Bước 5: Tạo đối tượng GOD (Genaral Operations Director), đối tượng sử dụng để lưu trữ tồn thơng tin trạng thái môi trường, mạng, node… GOD g漃⌀i sử dụng lớp MAC node - Bước 6: Cấu hình node - Bước 7: Tạo di chuyển cho node (đoạn mã sau mô tả di chuyển node không ngẫu nhiên) h - Bước 8: Thiết lập vị trí cho node (trong trường hợp node di chuyển không ngẫu nhiên) - Bước 9: Thiết lập thời điểm 50s node di chuyển vị trí tương ứng t漃⌀a đô % (25, 20) với tốc độ di chuyển 15m/s - Bước 10: Thiết lập luồng traffic node (đoạn mã sau thiết lập luồng cho node node 1) - Bước 11: Thiết lập thời gian dừng mô kết thúc h - Bước 12: Bắt đầu thực thi mô 3.3 ThiĀt kĀ mô hình mạng để mơ cho giao thức định tuyĀn theo yêu cầu mạng MANET: Việc thiết kế thử nghiệm cho giao thức dựa phần mềm mơ NS-2 Mơ hình thiết kế cho 50 node mạng di chuyển ngẫu nhiên khu vực bán kính 3800m Các gói tin phát dựa vào dịch vụ CBR (constant bit race), với kích thước gói tin 512 byte/1 gói tin, chu kỳ gửi tin gói/1 giây Hàng đợi kiểu FIFO, gói tin định tuyến s› có độ ưu tiên cao gói tin liệu h Hình 3.5 Mơ hình mạng MANET gồm 50 node Để so sánh hiệu thực giao thức, dựa kết mô s› đánh giá khả thích nghi hai giao thức AODV DSR mơ hình mạng MANET gồm 50 node với trường hợp: - Tất c9 node 1thống đứng yên: trường hợp này, node hệ thống mạng xác định t漃⌀a độ cho trước giữ nguyên vị trí suốt q trình thực mơ - Tất c9 node 1thống mạng di đông: trường hợp này, node hệ thống mạng di chuyển đến vị trí ngẫu nhiên xác định trước, với tốc độ từ 0~15m/s 3.4 Phân tích kĀt qu9 mô phỏng: Để đánh giá khả hoạt động giao thức kiện mạng khác nhau, sử dụng phần mềm Tracegraph 2.04 [12] để phân tích kết mơ dựa tham số: - Tỉ lệ phần trăm gói tin phát thành cơng - Trễ trung bình hệ thống - Khả đáp ứng trường hợp tôpô mạng thay đổi h 3.4.1 Trường hơꄣp số ngu?n phát thay đổi, tôpô cố định: Sau thực mô với 50 node mạng cố định (không di chuyển), với số lượng nguồn phát ban đầu 10 nguồn, sau s› thay đổi thời điểm 10s, 20s tương ứng với số lượng nguồn phát 20 30 nguồn, thời gian thực mô 40s Kết mô thể sau: - Trường hơꄣp số lươꄣng ngu?n phát cố định: suốt thời gian mô thực với 10, 15, 20, 25 30 nguồn phát thu biểu đồ sau: Hình 3.6a So sánh tỉ lệ phát gói tin thành cơng AODV DSR Hình 3.6a cho thấy m漃⌀i trường hợp DSR cho kết phát gói tin thành cơng cao AODV Bên cạnh tỉ lệ phát gói tin thành cơng hai giao thức giảm số lượng nguồn phát tăng dần DSR cho kết tương đối ổn định khoảng 99% trường hợp số nguồn phát nhỏ 20, trường hợp số nguồn phát lớn 20 tỉ lệ giảm dần Trong AODV cho kết khoảng 99% trường hợp số nguồn phát nhỏ 15, sau tỉ lệ giảm dần số nguồn phát tăng lên Kết cho thấy khả thích ứng với mơi trường mạng cố định DSR tốt AODV h - Trường hơꄣp số lươꄣng ngu?n phát thay đổi: ban đầu 10 nguồn thực 10s, sau tăng lên 15, 20, 25, 30 nguồn Hình 3.6b Kết phân phát gói tin thành cơng AODV DSR Hình 3.6b cho thấy DSR cho kết tương đối cao ổn định (khoảng 98%) trường hợp số nguồn phát nhỏ 20 Tuy nhiên, kết giảm trường hợp số lượng nguồn phát tăng Bên cạnh AODV cho kết giảm khoảng từ 90% đến 60% trường hợp số nguồn phát nhỏ 20 Tuy nhiên, tỉ lệ tăng số lượng nguồn phát lớn 20 Kết cho thấy trường hợp số nguồn phát tăng s› dẫn đến nhu cầu tìm đường đến đích nhiều khả sử dụng lại đường khám phá AODV tốt DSR Hình 3.6c Trễ đầu cuối trung bình tồn hệ thống Hình 3.6.c thể độ trễ trung bình tồn hệ thống mạng Trong trường hợp số lượng nguồn phát cố định, độ trễ trung bình tồn hệ thống h tỉ lệ thuận với số lượng node, AODV có độ trễ trung bình tồn hệ thống lớn DSR Tuy nhiên, trường hợp số lượng nguồn thay đổi khoảng từ 10 đến 20 nguồn, AODV có độ trễ tăng dần từ 0.15 đến 0.2s nguồn, DSR có độ trễ giảm dần từ 0.05 đến 0.01s Trong trường hợp số lượng nguồn phát thay đổi khoảng 20 đến 30 nguồn, AODV có độ trễ giảm dần từ 0.2 đên 0.13s, DSR có độ trễ tăng từ 0.01 đến 0.06s Kết cho thấy trường hợp mạng có nhiều thay đổi số lượng nguồn phát khả khám phá đường AODV tốt DSR 3.4.2 KĀt qu9 mô trường hơꄣp số ngu?n phát cố định, tôpô thay đổi theo thời điểm: Sau thực mô với 50 node mạng di chuyển đến vị trí ngẫu nhiên thiết lập trước, số lượng nguồn phát cố định cho lần mô là: 10, 20 30 Thời gian thực mô 50s Kết mô thể sau: - Tỉ lệ phân phát g漃Āi tin thành công giao thức AODV DSR Hình 3.7a Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng trường hợp 10 nguồn Hình 3.7a cho thấy khoảng thời gian từ 10 đến 20s, tỉ lệ phát thành công hai giao thức giảm khoảng từ 95% đến 90%, sau tỉ lệ trì ổn định khoảng 90 % khoảng thời gian lại Kết h chứng tỏ thời gian khoảng từ đến 20s hai giao thức thực việc khám phá đường Đến thời điểm 20s trở Router cache node có sẵn đường khám phá, khoảng thời gian việc tìm đường hai giao thức s› nhanh chóng Như vậy, kết cho thấy hai giao thức hoạt động tốt môi trường mạng di động với số lượng nguồn phát Hình 3.7b Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng trường hợp 20 nguồn Hình 3.7b cho thấy AODV cho kết phân phát gói tin ổn định khoảng 81% đến 86% m漃⌀i thời điểm Tuy nhiên, khoảng từ 10 đến 20s, DSR cho kết không ổn định khoảng 68% đến 82%, sau trì kết thành công mức 82% cho thời điểm Kết chứng tỏ số lượng nguồn tăng lên AODV cho kết ổn định DSR h Hình 3.7c Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng trường hợp 30 nguồn Hình 3.7c cho thấy hai giao thức cho kết phân phát gói tin giảm sút giao động khoảng từ 48% đến 70% Tuy nhiên AODV cho kết ổn định với mức từ 55% đến 70% Bên cạnh DSR cho kết giao động từ 48% đến 70% Như vậy, theo kết phân tích phần 3.1.1 trường hợp mạng khơng di chuyển kết tìm đường DSR tốt Tuy nhiên trường hợp mạng có nhiều biến động nguyên nhân dẫn đến tình trạng đường hiệu lực router cache node tăng đột biến Theo sở l礃Ā thuyết AODV có chế để loại bỏ đường hiệu lực, khả sử dụng đường khám phá đường AODV tốt DSR dẫn đến tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng AODV cao - Thời gian trễ trung bình tồn hệ thống: h Hình 3.8 Thời gian trễ trung bình trường hợp 10, 20 30 nguồn Hình 3.8 thể trễ trung bình tồn hệ thống hai giao thức AODV DSR Trong trường hợp số lượng nguồn phát nhỏ 10, 20 nguồn, độ trễ DSR tốt AODV Tuy nhiên trường hợp 30 nguồn phát, độ trễ AODV tốt Như vậy, chứng tỏ khả tìm đường sử dụng lại đường khám phá AODV tốt DSR trường hợp node mạng có nhiều thay đổi vị trí 3.5 KĀt luâ n chương 3: Viê %c triển khai thí nghiêm % % thống mạng giới thực mô %t cơng viêc% phức tạp, địi hỏi tốn nhiều thời gian chi phí cao Bên cạnh đó, % rủi ro không thành công cao Để khắc phục tình trạng cần phải thực hiên% mô dựa phần mềm ứng dụng mơ mạng Trong chương này, chúng tơi trình bày bước thực hiê %n để mô h mạng NS-2, tâ %p lê %nh để thiết lâ %p mô mạng không dây NS-2 Từ đó, chúng tơi xây dựng mơ hình mạng Ad Hoc để thực hiên% mô cho hai giao thức AODV DSR có đánh giá hiê %u sau: Nhìn chung DSR bị ảnh hưởng trường hợp số lượng nguồn phát thay đổi, cho thấy DSR thu thập nhiều đường đến đích AODV, chứng tỏ khả tìm đường DSR tốt AODV Tuy nhiên nút di chuyển, AODV hoạt động với hiệu suất giảm rõ rệt với tỉ lệ phát tin thành công cao hơn, ổn định thời gian trễ nhỏ DSR, chứng tỏ số lượng đường khám phá DSR bị cũ khơng cịn hiệu lực DSR khơng có chế phát để loại bỏ đường khơng cịn hiệu lực Router cache Như giao thức DSR áp dụng trường hợp mạng với mức độ di chuyển thấp, AODV áp dụng trường hợp mạng với mức độ di chuyển cao h K쨃ĀT LUÂ1N Mạng MANET hiên% mô t% thách thức nhà nghiên cứu viêc% tìm giao thức mạng, chuẩn mạng với mục đích cuối đạt mô %t % thống mạng ổn định hiê u% suất khai thác cao dịch vụ truyền thông đa phương tiên % Qua thời gian tháng nghiên cứu mô %t số giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu mạng MANET Luân% văn đạt mô %t số kết quả: KĀt qu9 đạt đươꄣc: - Trình bày mơ %t cách tổng quan % thống mạng không dây mạng MANET; yêu cầu thiết bị để triển khai % thống mạng khơng dây; phân tích mơ %t số công nghê % ứng dụng mạng không dây; tổng quan ứng dụng mạng MANET cuôc% sống - Nghiên cứu hoạt đông % giao thức định tuyến mạng MANET Trên sở chúng tơi phân tích chế hoạt %ng giao thức định tuyến theo yêu cầu thông qua hai giao thức AODV DSR Đánh giá hiêu% suất làm viê %c hai giao thức để có sở đề xuất viêc% áp dụng hợp l礃Ā giao thức mơ hình mạng cụ thể - Thiết kế mơ %t số mơ hình mạng MANET phần mềm NS-2 Cài đă %t mô giao thức AODV DSR để minh h漃⌀a trình hoạt ng % Từ đó, đánh giá hiêu% kịch khác theo tỉ lê % gói mất, % trễ trung bình khả đáp ứng topo mạng thay đổi Hướng phát triển: Nghiên cứu mô %t số giao thức để áp dụng hai chế định tuyến theo yêu cầu định tuyến bảng ghi (giao thức lai) Nghiên cứu cải tiến đô % đo hiê %u để nâng cao chất lượng truyền thơng mơ hình mạng khơng dây h TI LIỆU THAM KHẢO TiĀng Anh [1] Arun Kumar B R, Lokanatha C Reddy, Prakash S Hiremath (2008), Performance Comparison of Wireless Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols, International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.8 No.6 [2] Geetha Jayakumar, Gopinath Ganapathy (2007), Performance Comparison of Mobile Ad Hoc Network Routing Protocol, International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.7 No.11 [3] Georgy Sklyarenko (2005), AODV Routing Protocol, Seminar Technische Informatik, Takustr 9, D-14195 Berlin, Germany [4] McGraw-Hill/Osborne, Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide, Copyright © by Planet3 Wireless, Inc [5] Stefano Basagni, Marco Conti, Silvia Giordano, Ivan Stojmenovic, Mobile Ad Hoc Networking, Copyright © 2004 by the Institute of Electrical and Electronics Engineers [6] Subir Kumar Sarkar, T G Basavaraju, C Puttamadappa, Ad Hoc Mobile Wireless Network, Copyright © 2008 by Taylor & Francis Group, LLC [7] Tao Lin (2004), Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols: Methodologies and Applications, Blacksburg, Virginia [8] Yinfei Pan, Suny Binghamton (2006), Design Routing Protocol Performance Comparison in NS2: AODV comparing to DSR as Example [9] Yu-Chee Tseng, Wen-Hua Liao, Shih-Lin Wu, Mobile Ad Hoc Networks and Routing Protocols, Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, Edited by Ivan Stojmenovic´Copyright© 2002 John Wiley & Sons, Inc, Chapter 17 h Địa Internet [10] http://vi.wikipedia.org [11] http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/index.html [12] http://www.geocities.com/tracegraph/ [13] The network simulator - ns-2 http:// www isi.edu/nsnam/ns/ [14] The ns Manual http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html h