Ngoài ra các con kiến Trang 6 DANH MUC CAC BANG Trang 7 Hinh 1.1 Hinh 1.2 Hinh 1.3 Hinh 1.4 Hinh 1.5 Hinh 1.6 Hinh 1.7 Hinh 1.8 Hinh 1.9 Hinh 2.1 Hinh 2.2 Hinh 2.3 Hinh 2.4 Hinh 2.5
Trang 1BO GIAO DUC VA DAO TAO
DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
TRINH MINH KY
DANH GIA HIEU NANG CAC GIAO THUC DINH TUYEN AODV VA ANTHOCNET
TREN MANG MANET
CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 60 48 01 01
LUAN VAN THAC SI KHOA HOC DINH HUONG NGHIEN CUU
Trang 2LOI CAM DOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
giúp đỡ của Thầy PGS.TS Võ Thanh Tú
Trong toàn bộ nội dung nghiên cứu của luận văn, các vấn để được trình bày
đều là những tìm hiểu và nghiên cứu của chính cá nhân tôi hoặc là được trích dẫn từ các nguồn tài liệu có ghi tham khảo rõ ràng, hợp pháp
Trong luận văn, tôi có tham khảo đến một số tài liệu của một số tác giả được liệt kê tại mục tài liệu tham khảo
Tác giả
Trang 3
LOI CAM ON
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô giáo Khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Khoa học Huế đã trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu chương trình cao học
Đặc biệt tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến thây giáo
hướng dẫn PGS.TS Võ Thanh Tú, người đã tận tình dẫn dắt và tạo mọi điều kiện
tốt nhất đề tơi có thê hồn thành luận văn này
Tôi cũng xiú gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người luôn bên cạnh, quan tâm, động viên tôi giúp tôi vượt qua khó khăn trong quá trình học tập và
thực hiện luận văn tốt nghiệp này
Trang 4MUC LUC
DANH MỤC CÁC BẢNG 22 22 2222211211121112111211122112111221122222222 xe i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ, -2- S21 2212221221221121122112121 22 2e ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTT 2-22222211221122112211221122121121122 2 e6 iii MO DAU ooo eons eoe ceo essesseeveev verter tev teveesenastatitartatitistinetisetstesasetaretietaesaneeaees 1 Chương I TÔNG QUAN VẺ MẠNG MANET 25 222222122212211222122222 2e, 4 1.1 GIỚI THIỆU -2-©22222222512251221121111112111111111111111111112 re 4
1.2 PHÂN LOẠI MẠNG MANETT -25:222222112221122211222.211.2112.1 xe 6
1.2.1 Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến " 7
1.2.2 Phân loại mạng MANET theo chức năng của nút . .+s: 7
1.3 VẤN ĐẺ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANETT -2-22-222222zz2sce2 9
1.3.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 2-22222222221221221 22.2 9
1.3.2 Bài toán định tuyến mạng MANET © 222222122212221221222 e6 10
1.4 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET -c-s¿ 11
1.4.1 Giao thức định tuyến unicast trong mạng MANET 2 2 11 1.4.2 Giao thức định tuyến multicast trong mạng MANET - 14
1.5 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV (AD-HOC ON-DEMAND
DISTANCE VECTOR ROUTTNGI - 52: 2222222112221121112112222 2e 19
1.5.1 Giới thiệu về giao thức AODV -222222122211221122122122.212 e6 19 1.5.2 Nguyên lý hoạt động của AODV che 20
1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22: 2221221122212222112221.212.2 re a7
Chương 2 THUẬT TOÁN TÓI ƯU HÓA ĐÀN KIÉN VÀ ỨNG DỰNG TRONG ĐỊNH TUYẾN TREN MẠNG MANET -©2222222221222112212212222112 2x6 28
2.1 GIỚI THIỆU -©222221221221122112211211122112112112112112122122 xe 28 bnN‹.nn - 28
Trang 5thời gian nữa thì các kiến này sẽ đi theo nhánh ngắn hơn Điều này được hiểu là một
loại thăm dò, tìm đường mới
Một điều thú vị nữa là điều gi sé xay ra nếu sau khi tìm kiếm hội tu lại xuất hiện một đường mới từ tổ đến nguồn thức ăn Việc này được thực nghiệm như sau:
Ban đầu từ tổ đến nguồn thức ăn chỉ có một nhánh đài và sau 30 phút thì thêm một nhánh ngắn (xem hình 2.6) Trong trường hợp này, nhánh ngắn thường không được kiến chọn mà chúng tập trung đi trên nhánh dài Điều này có thể giải
thích bởi nồng độ vết mùi trên cạnh dài cao và do sự bay hơi chậm của vết mùi nên đại đa số các con kiến lựa chọn các nhánh dài (vì nông độ vết mùi cao) và hành vi
này tiếp tục củng cố trên nhánh dài, ngay cả khi một nhánh ngắn xuất hiện Việc bay hơi vết mùi có thể có lợi cho việc tìm đường mới, nghĩa là việc bay hơi có thé giúp kiến quên đi đường đi tối ưu cục bộ để tìm đường đi mới tốt hơn có thể được khám phá Aw 30 ae ZO Thức ăn Hình 2.6 Thí nghiệm ban đầu chỉ một nhánh dài và sau 30 phút thêm nhánh ngắn
2.1.2 Kiến nhân tạo
Qua thử nghiệm chiếc cầu đôi cho thấy rõ ràng có khả năng xây đựng được tối ưu hóa đàn kiến: Thông tin để tìm ra con đường ngắn nhất giữa 2 điểm có thê dựa vào quy tắc xác suất
Mô phỏng kiến tự nhiên, người ta đùng đa tác tử (multiagent) làm đàn kiến
nhân tạo, trong đó mỗi con kiến có nhiều khả năng hơn kiến tự nhiên Mỗi con kiến
nhân tạo (về sau sẽ gọi là kiến) có bộ nhớ riêng, có khả năng ghi nhớ các đỉnh đã thăm trong hành trình và tính được độ dài đường đi nó chọn Ngoài ra các con kiến
Trang 6DANH MUC CAC BANG
Trang 7Hinh 1.1 Hinh 1.2 Hinh 1.3 Hinh 1.4 Hinh 1.5 Hinh 1.6 Hinh 1.7 Hinh 1.8 Hinh 1.9 Hinh 2.1 Hinh 2.2 Hinh 2.3 Hinh 2.4 Hinh 2.5 Hinh 2.6 Hinh 2.7 Hinh 2.8 Hinh 3.1 Hinh 3.2 Hinh 3.3 Hinh 3.4 Hinh 3.5 Hinh 3.6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Cấu trúc của MANET Multi-hop Mô hình mạng phân cấp
Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng MANET Giao thức định tuyến Multicast của mạng MANET Truyền gói tin trong AODV
Cơ chế xử lí khám phá tuyến tại nút của AODV
Hình thành tuyến đảo ngược (Reverse Path) Hình thành tuyến chuyền tiếp (Forward Path) Vết các kiến từ t6 đến nguồn thức ăn
Kiến đối phó với trở ngại
Các kiến cố gắng tìm các tuyến thay thế Các kiến đi qua tuyến ngắn nhất
Thí nghiệm chiếc cầu đôi
Thí nghiệm ban đầu chỉ một nhánh đài và sau 30 phút thêm nhánh ngăn
Mô tả trạng thái của thuật toán AntHocNet
Ví dụ về xây dựng tuyến trong mạng MANET
Cấu trúc NS-2
Luồng các sự kiện cho file Tel chay trong NS Thiết lập mô phỏng cho AntHoeNet
Trang 8MANET ACO AS GA SA AODV FTP CBR RED CBQ ACK IEEE IETF IP TCP MAC NAM NS PDA RERR RREP RREQ
DANH MUC CAC CHU VIET TAT
Mobile Ad Hoc Network Ant Colony Optimization Ant System Genetic Algorithm Simulated Annealing Ad-hoc On-demance Distance Vector routing
File Transfer Protocol Constant Bit Rate
Random Early Detection Class Based Queueing Acknowledgement Institute of Electrical and Electronic Engineers Internet Engineering Task Force Internet Protocol
Transmission Control Protocol Media Access Control Network Animator Network Simulator Personal Digital Assistants Route Error Route Reply Route Request
Mạng tùy biến đi động
Tối ưu hóa đàn kiến Hệ kiến AS
Giải thuật di truyền
Thuật tốn mơ phỏng luyện kim Giao thức định tuyến véc tơ khoảng cách theo yêu câu
Giao thức truyền tập tin
Tốc độ bit có định
Hàng đợi dò sớm ngẫu nhiên Hàng đợi dựa trên lớp
Gói báo nhận
Viện kỹ thuật điện và điện tử
Nhóm nghiên cứu IETF Giao thức Internet
Trang 9RRFA RFA PDR EED TTL UDP LAN WAN WLAN SINR RWPMM QoS
Route Repair Forward Ant Reactive Forward Ant Packet Delivery Ratio End-to-End Delay Time-To-Live
User Datagram Protocol Local Area Network Wide Area Network
Wireless Local Area Network Signal-to-Interference plus Noise Ratio Random Waypoint Mobility Model Quality of Service Forward Ant sửa chữa tuyến Forward Ant phản ứng Tỉ lệ phát gói tin Độ trễ end-to-end
Thời gian tổn tại
Giao thức gói người dùng
Mạng cục bộ Mạng diện rộng
Mạng cục bộ không dây
Tỷ số giao thoa và nhiễu tín hiệu Mô hình hành trình ngẫu nhiên
Trang 10MO DAU Ly do chon dé tai
Mang Ad hoc di déng (Mobile Ad Hoc Network - MANET) cho phép cac máy tính, thiết bị mạng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau mà không cần dựa vào hạ tầng mạng và hệ thống điều khiên trung tâm Với sự phát triển của các
dịch vụ mạng theo hướng cá nhân hóa, di động hóa và hướng đến các dịch vụ tích
hợp thì khả năng phát triển mạng MANET có rất nhiều triển vọng Về mặt thực tiễn mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu truyền thông có tính chất tạm thời như
trong một khu vực hội nghị, hội thảo hoặc sự kiện nơi mà khó khăn trong việc thiết
lập hệ thống mạng có sử dụng cơ sở hạ tầng
Với đặc điểm là mạng tự câu hình gồm các nút kết nối với nhau thông qua các kết nối vô tuyến tạo nên mạng không có cơ sở hạ tầng Do đó, định tuyến trong MANET là một thách thức lớn vì các tính năng động của MANET, băng thông han
chế, công suất tiêu thụ và sự không ổn định của môi trường
Tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO) là một thuật toán để giải quyết vấn để như định tuyến trong MANET dựa trên hành vi tìm kiếm thực
phẩm của kiến AntHoeNet là một thuật toán mới thích nghi cho việc định tuyến
trong MANET dựa trên những ý tưởng từ ACO
AntHoeNet là một thuật toán lai, chứa cả các yếu tố phản ứng và chủ ứng Thuật toán này phản ứng theo nghĩa là nó chỉ thu thập thông tin định tuyến về các điểm đến tham gia vào các phiên truyền thông Nó chủ ứng theo nghĩa là nó cố gắng duy trì và cải tiến thông tin về các đường dẫn hiện tại trong khi phiên truyền thông đang diễn ra (khơng giống các thuật tốn thuần túy phản ứng, không tìm kiếm thông tin định tuyến cho đến khi các tuyến hiện đang được biết đến không còn hợp lệ nữa) Thông tin định tuyến được lưu trữ trong các bảng pheromone tương tự với các bảng được sử dụng trong các thuật toán định tuyến ACO khác Chuyển tiếp kiểm
Trang 11Lỗi liên kết được xử lý bằng cách sử dụng các cơ chế phản ứng cụ thể, chẳng hạn như sửa chữa tuyến đường cục bộ và sử dụng thông báo cảnh báo
Mục tiêu nghiên cứu
Bên cạnh các ưu điểm, mạng MANET phải đối mặt với một loạt các thách
thức do chính cấu trúc mạng gây ra Đề vượt qua các thách thức và hoàn thiện các giải pháp cho mạng MANET, rất nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp
mới nhằm cải thiện các vấn đề còn tồn tại của MANET trên một loạt các khía cạnh
Ví dụ: điều khiển truy nhập đa phương tiện, định tuyến, quản lý tài nguyên, điều khiển công suất và bảo mật Trong các hướng đó vấn dé cai thiện kỹ thuật định tuyến luôn được đặt ra hàng đầu đo kỹ thuật định tuyến luôn được coi là yếu tố then chốt ảnh hưởng tới hiệu năng mạng truyền thông nói chung và mạng MANET nói riêng Thêm vào đó đo tính phức tạp và đặc tính truyền thông đa đường trong môi trường truyền dẫn không dây, nên hàng loạt các vấn đẻ phức tạp liên quan tới kỹ
thuật định tuyến vẫn chưa được giải quyết triệt để và đang được tiếp tục cải thiện AntHocNet là một thuật toán định tuyến đa đường cho các mạng Ad hoc di
động kết hợp các thành phần chủ ứng và phản ứng Nó dựa trên AntfNet, được thiết
kế cho mạng có dây, với một số sửa đổi được sử dụng trên các mạng Ad hoc
Vì vậy tôi muốn nghiên cứu để tài: “Đánh giá hiệu năng các giao thức định tuyến AODV và AntHoeNet trên mạng MANET” để hiểu rõ về cách thức hoạt động và so sánh hiệu năng giữa các giao thức định tuyến phản ứng truyền thống (AODV)
và các giao thức định tuyến lai (đại diện bởi AntHocNet) trén mang MANET
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Giao thức định tuyến AODV và AntHoeNet trên mạng MANET
- So sánh kha nang mo rong cua AntHocNet voi AODV duoc thực hiện bang
cach sử dụng trình mô phỏng ns2 Phương pháp nghiên cứu
Trang 12bài báo, sách, giáo trình trong và ngoài nước Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để nắm được những yêu câu, nội dung cụ thé cần giải quyết cho đề tài
- Mô phỏng và so sánh đánh giá
Nội dung nghiên cứu và bố cục của luận văn Chương 1: Tổng quan về mạng MANET - Mạng tùy biến không dây MANET - Giao thức định tuyến trên mạng MANET
Chương 2: Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến và ứng dụng vào định tuyến trên mạng MANET
- Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến ACO
- Ung dung thuat toan dinh tuyén ACO cho mang MANET, thuat toan dinh
tuyén AntHocNet
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến AODV va AntHocNet trên mạng MANET
Kết luận nêu lên những kết quả đạt được và định hướng phát triển của đề tài
Trang 13Chuong 1 TONG QUAN VE MANG MANET 1.1 GIOI THIEU
Mang Ad hoe di déng (Mobile Ad Hoc Network - MANET) cho phép cac máy tính, thiết bị mạng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau mà không cần dựa vào hạ tầng mạng và hệ thống điều khiến trung tâm Với sự phát triển của các
dịch vụ mạng theo hướng cá nhân hóa, di động hóa và hướng đến các dịch vụ tích
hợp thì khả năng phát triển mạng MANET có rất nhiều triển vọng Về mặt thực tiễn mạng MANET rất hữu ích cho các nhu cầu truyền thông có tính chất tạm thời như
trong một khu vực hội nghị, hội thảo hoặc sự kiện nơi mà khó khăn trong việc thiết
lập hệ thống mạng có sử dụng cơ sở hạ tầng
Với đặc điểm là mạng tự câu hình gồm các nút kết nối với nhau thông qua các kết nối vô tuyến tạo nên mạng không có cơ sở hạ tầng Các nút mạng có thể di chuyền
một cách tự do theo mọi hướng, do đó kết nối của nó với các nút khác cũng thay đổi
một cách thường xuyên Do khoảng truyền dẫn của mỗi nút mạng là hạn chế nên chúng truyền tin bằng phương pháp truyền gói tin đa chặng (multihop) Đề thực hiện điều này, các nút mạng phải có khả năng chuyên tiếp gói tin đến nút mạng khác Mạng
MANET được mô tả có câu trúc thay đổi do sự thay đổi vị trí của các nút mạng Các
giao thức định tuyến có cơ chế tự phát hiện các thay đổi về đường đi thơng qua các thuật tốn định tuyến cơ bản như: Véc tơ khoảng cách và trạng thái liên kết
Trang 14
So với các mạng không dây khác, MANET là một tập của các nút không dây có thể cấu hình động để trao đổi thông tin, các nút tự do di chuyển nên kiến trúc
mạng có thể thay đổi liên tục mà không dự đoán được Do đặc tính tùy biến nên
MANET có thể cung cấp một miền rộng các ứng dụng dịch vụ cho các vùng mạng
cục bộ và đô thị: Mạng cộng đồng, mạng hỗ trợ khẩn cấp, các điểm truy nhập công
cộng, các ứng dụng cho quân đội, các ứng dụng tính toán nhúng và phân tán, các
dịch vụ và mạng cảm biến
Một số đặc điểm chính và những thách thức phải đối mặt trong mạng MANET
Cấu trúc liên kết động: Các nút có thể tự do di chuyển tùy ý với tốc độ khác nhau, do đó các cấu trúc mạng có thể thay đổi ngẫu nhiên và đôi khi không thê dự
đoán được
Hoạt động hạn chế năng lượng: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng tủy
biến không dây có thể phụ thuộc vào pin hoặc các phương tiện khác cho năng lượng của chúng Đối với những nút này, các tiêu chí tối ưu hóa thiết kế hệ thống quan trọng nhất có thê là việc bảo tổn năng lượng
Giới hạn băng thông: Các kết nối không dây có băng thông thấp hơn so với đường truyền cáp và chúng còn chịu ảnh hưởng của nhiễu, suy giảm tín hiệu, các điều kiện giao thoa, vì thế mà thường nhỏ hơn băng thông truyền dẫn tối đa Băng thông thấp thường xảy ra các vấn đề tắt nghẽn, nghĩa là mật độ lưu lượng tổng thường vượt quá băng thông của mạng, đặc biệt khi số nút của mạng trong một vùng tăng lên trong khi năng lực của mạng thì không tăng tương ứng
Các thách thức an ninh: Mạng không dây di động dé bi de doa tinh bảo mật
hơn là mạng cáp cô định Khả năng gia tăng nghe trộm, giả mạo và các dịch vụ tấn công từ bén ngoai
Một số ứng dụng của MANET
- Ứng dụng trong hoạt động quân sự với cơ chế hoạt động không tập trung
Trang 15đối với lĩnh vực quân sự, nhất là trong các trong các trường hợp các đơn vị tham gia
chiến dịch, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy Khi đó, mạng Ad hoc là lựa chọn tối
ưu để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng mà không
phụ thuộc vào hạ tầng sẵn có tại khu vực đó
- Ứng dụng trong hội nghị, sân bay, trường học: Có thể thiết lập các mạng
Ad hoc trong trường học, thư viện, sân trường, sân bay để kết nối các thiết bị di động (máy tính xách tay, điện thoại thông minh, các thiết bị khác) lại với nhau, để mọi người có thê chia sẻ, trao đôi dữ liệu, làm việc với nhau
- Ứng dụng trong các dịch vụ khẩn cấp: Được ứng dụng nhiều trong thực té, ví đụ các trường hợp thiên tai, hỏa hoạn hoặc các trường hợp khẩn cấp thì giải pháp thông thường là dùng thiết bị vô tuyến Mạng MANET là giải pháp hiệu quả khi không thể sử dụng hạ tầng vô tuyến đang sẵn có do bị hỏng hoặc không có sẵn
- Ung dung hé théng nhúng, kết nối các hệ thống điện tử, mạng cảm biến:
Mang Ad hoe sé rat phi: hop dé tạo nên một hệ thống thông minh có khả năng kết nối các thiết bị để chúng có thể giao tiếp với nhau như truyền hình, thiết bị trò chơi
điện tử, điện thoại hoặc các hệ thống điều khiển khác
- Ứng dụng cho các thiết bị thông minh kết nối Internet: Đây là một lĩnh vực
mới và khác tiềm năng của mạng MANET, một thực tế đối với các thiết bị thông
minh như ô tô hoặc các thiết bị khác có thể kết nối Internet thông qua mạng
MANET là cách tiếp cận hợp lý
- Ứng dụng trong giao thông: Đây là một ứng dụng quan trọng hiện nay, các phương tiện giao thông là các nút mạng và có thể tự thu phát đề có thể liên lạc, chia sẻ và trao đôi thông tin với nhau mà không cần cơ sở hạ tầng mạng
1.2 PHẦN LOẠI MẠNG MANET
Mạng MANET có thể phân loại theo cách thức định tuyến hoặc theo chức
Trang 161.2.1 Phân loại mạng MANET theo cách thức định tuyến
- Mạng MANET định tuyến đơn chặng: Đây là loại mô hình mạng Ad hoc đơn giản nhất Trong đó tất cả các nút đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng, nghĩa là các nút có thể kết nối trực tiếp với các nút khác mà không cần thông qua các nút trung gian Trong mô hình này các nút có thể đi chuyên tự do nhưng chỉ
trong một phạm vi nhất định đủ để nút có thể liên lạc trực tiếp với các nút khác
trên mạng
- Mạng MANET định tuyến đa chặng: Đây là mô hình phổ biến nhất trong
mạng MANET, mô hình khác với mô hình trước là các nút có thể kết nối với các
nút khác trong mạng mà có thể không cần phải kết nối trực tiếp với nhau Các nút có thể định tuyến đến các nút khác thông qua các nút trung gian trong mạng Mobile Node 1 Mobile Node 2 Mobile Node 1 Mobile Node 2 Base Base
a Station a a Station NY,
Mobile Node 3 Mobile Node 4 Mobile Node 3 Mobile Node 4 Hinh 1.2 Multi-hop 1.2.2 Phan loai mang MANET theo chirc nang cia nut
- Mang MANET binh dang (Flat):
Trong kiến trúc này tất cả các nút (node) có vai trò ngang hàng với nhau (peer- to-peer) và các nút đóng vai trò như các router định tuyến gói dữ liệu trên mạng Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hoá việc sử dụng tải nguyên băng thông của mạng vì những thông tin điều khiển phải truyền trên toàn bộ mạng Tuy nhiên nó thích hợp trong những tô-pô có các nút di chuyển nhiều
Trang 17Đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất Trong mé hinh nay thi mang chia
thành các miễn (domain), trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cụm (cluster),
mỗi cluster bao gồm nhiều nút Có hai loại nút là nút chủ hay còn được gọi là nút cụm trưởng (master node) và nút bình thường (nomal node)
+ Master node: Là nút quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của
các nút trong cluster đến các nút trong cluster khác và ngược lại Nói cách khác nó
có nhiệm vụ như một gateway
+ Normal node: Là các nút nằm trong cùng một cluster Nó có thê kết nối với các nút trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác thông qua master node 7 ad M: Master node N: Normal node Hình 1.3 Mô hình mạng phân cấp
+ Với các cơ chế trên mạng sử dụng tài nguyên băng thông hiệu quả hơn vì các thông báo điều khiến chỉ phải truyền trong phạm vi một cluster Tuy nhiên việc quản lý tính chuyên động của các nút trở nên phức tạp hơn Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyền động thấp
- Mạng MANET kết hợp (Aggregate):
+ Trong kiến trúc mạng này, mạng phân thành các vùng (zone) và các nút được chia vào trong các vùng Mỗi nút bao gồm hai mức tô-pô: tô-pô mức nút mạng (node level) và tô-pô mức vùng (zone level; high level topology)
Trang 181.3 VAN DE DINH TUYEN TRONG MANG MANET
Trên thực tế trước khi một gói tin đến được đích, nó có thể phải được truyền
qua nhiều chặng, như vậy cần có một giao thức định tuyến để tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng Giao thức định tuyến có hai chức năng chính, lựa chọn các tuyến đường cho các cặp nguỗn-đích và phân phối các gói tin đến đích
chính xác
Truyển thông trong mạng MANET dựa trên các đường đi đa chặng và mọi
nút mạng đều thực hiện chức năng của một router, chúng cộng tác với nhau, thực
hiện chuyển tiếp các gói tin hộ các nút mạng khác nếu các nút mạng này không thê truyễn trực tiếp với nút nhận, do vậy 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 phu 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 hắn khi mức độ di động của các nút mạng tăng cao
1.3.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống
Dé tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các router trong mạng, các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng giải thuật véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing - DVR) hoặc trạng thái lién két (Link State Routing —
LSR) Thuật toán Distance Vector còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được
dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet
với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol) Thuật toán Link State được sử
dung trong giao thttc OSPF (Open Shortest Path First) va giao thie ISIS (Intermediate System to Intermediate System) cua Internet
Trang 19khác Bằng việc so sánh các khoảng cách từ mỗi láng giểng tới một đích nào đó, router có thê quyết định láng giềng nào sẽ là chặng tiếp theo trong đường đi tới đích để đường đi là tối ưu nhất Bảng định tuyến tại cdc router do đó lưu trữ các thông tin về các đích trong mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và khoảng cách tới đích Sử dụng các giao thức định tuyến theo véc tơ khoảng cách thường tốn ít tài nguyên của hệ thống Tuy nhiên tốc độ đồng bộ giữa các bộ định tuyến lại chậm và thông số được sử dụng để chọn đường đi có thê không phù hợp với những hệ thống mạng lớn
- Trong giải thuật Link State, mỗi router duy trì một thông tin đầy đủ về cầu hình của toàn bộ mạng Đề làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói tin LSA (Link Sfate Advertisment) có chứa thông tin về các láng giéng va gia tdi mỗi láng giềng Các thông tin này sẽ được truyền tới tất cả cdc router trong mang Từ thông tin về giá của các liên kết trong toàn bộ mạng, các router có thể tính toán đường đi ngắn nhất tới các đích cé thé Sử dụng thuật toán định tuyến trạng thái liên
kết sẽ dẫn đến một số nhược điểm: Nút sử dụng định tuyến theo trạng thái kết nối sẽ
phải cần nhiều bộ nhớ hơn và hoạt động xử lý nhiều hơn là sử dụng định tuyến theo véc tơ khoảng cách
Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET với
việc xem mỗi nút như các router dẫn tới một loạt các vấn đề: Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định kỳ; Các nút bị phá vỡ chế độ
tiết kiệm năng lượng do liên tục phải nhận và gửi thông tin; Mạng có thể bị quá tải với các thông tin cập nhật khi số nút trong mạng tăng, do đỏ làm giảm tính khả mở
của mạng: Các đường đi dư thừa được tích luỹ một cách không cần thiết, Hệ thống
khó có thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng
1.3.2 Bài toán định tuyến mạng MANET
Có thể thấy, các giao thức định tuyến truyền thống đặt quá nhiều tính tốn và truyền thơng với các nút di động trong mạng MANET Thêm vào đó, yêu cầu về
Trang 20thông điệp cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguôồn nuôi Hơn nữa, khi cấu hình mạng ít thay đổi việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí
Do vậy, các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần giảm tổng phí cho
việc định tuyến, thích ứng nhanh và tự động với các điều kiện thay đổi của mạng
Giao thức phải đảm bảo thực hiện hiệu quả trong môi trường khi các nút đứng yên và băng thông là không giới hạn và đủ hiệu quả khi băng thông tồn tại giữa các nút thấp và mức độ di chuyền và thay đổi cấu hình cao
1.4 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MANG MANET [1] 1.4.1 Giao thức định tuyến unicast trong mạng MANET
Các giao thức định tuyến unicast trên mạng MANET: Giao thức định tuyến theo bảng (Table - Driven Routing Protocol), giao thức định tuyến theo yêu cầu (On — Demand Routing Protocol) và giao thức dinh tuyén lai (Hybrid Routing Protocol)
như được thể hiện trong hình 1.4
1.4.1.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi
Giao thức định tuyến theo bảng ghi còn được gọi là giao thức chủ ứng (Proactive) Với giao thức này, bất kỳ một nút trong mạng đều luôn duy trì trong bảng định tuyến của nó thông tin định tuyến đến tất cả các nút khác trong mạng Thông tin định tuyến được phát broadcast trên mạng theo một khoảng thời gian quy định để giúp cho bảng định tuyến luôn cập nhật những thông tin mới nhất Một nút nguồn có thê lấy thông tin định tuyến ngay tức thì khi cần thiết
Trang 21Các giao thức hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến theo bảng ghi: DSDV_ (Destination Sequenced Distance Vector), WRP (Wireless Routing Protocol), GSR (Global state routing) Các giao thức định tuyến trong mạng ad hoc Ỹ Y Ỳ
On-demand Table-driven Hybrid
(Dinh tuyén theo yéu cau) (Dinh tuyén theo bang ghi) (Dinh tuyén lai)
Ỷ Y eo
Link state Distance vector Link state Distance vector
(Trang thai (Vécto khoang|] |(Trang thai lién} | (Vécto khoang ls
Trang 221.412 Giao thức dinh tuyén diéu khién theo yêu cầu
Còn được gọi là giao thức phản ứng (Reactive) Theo phương pháp này các con đường đi sẽ được tạo ra nếu có yêu cầu Khi một nút yêu cầu một tuyến đến đích, nó phải khởi đầu một quá trình khám phá tuyến đường đến đích (Route Discovery) Quá trình này chỉ hoàn tất khi đã tìm ra một tuyến sẵn sàng hoặc tất cả
các tuyến khả thi đều đã được kiểm tra Khi một tuyến đã được kiểm tra và thiết lap, nó được duy trì thông số định tuyến (Route Maintenance) boi mét số dạng thủ tục
cho đến khi hoặc là tuyến đó không thê truy nhập được từ nút nguồn hoặc là không can thiết đến nó nữa
Với các cơ chế đó, các giao thức điều khiển theo yêu cầu không phát broadcast đến các nút láng giềng về các thay đổi của bảng định tuyến theo thời gian, nên tiết kiệm được tài nguyên trên mạng Vì vậy loại giao thức này có thể sử đụng trong mạng MANET phức tạp, có các nút di chuyển nhiễu
Các giao thức định tuyến hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu: AODV (Ađhoc On demand Distance Vector), DSR (Dynamic Source Routing), TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm),
1.413 Giao thức định tuyến lai
Giao thức này có kết hợp hay gọi là lai (Hybrid) cả hai cơ chế giao thức định tuyến chủ ứng (Proactive) và giao thức định tuyến phản ứng (Reactive) Giao thức định tuyến này phù hợp với những mạng quy mô, kích thước lớn và mật độ các nút mạng dày đặc
Trang 23zone với nhau Các giao thức định tuyến tiêu biểu sir dung kiéu hybrid: ZRP (Zone Routing Protocol), ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State), HARP (Hybrid Ad hoc Routing Protocol)
1.4.2 Giao thức định tuyến mulficast trong mạng MANET
Một trong những phương pháp phổ biến nhất dé phân loại các giao thức định tuyến multicast cho MANET dựa trên cách phân phối các đường dẫn giữa các thành viên trong nhóm đã được xây dựng Theo phương pháp này, các phương thức định
tuyến multicast hiện có cho MANET có thể được chia thành các giao thức định
tuyến multicast dạng cây (Tree-based multicast routing protocol), các giao thức định tuyến multicast dạng mắt lưới (Mesh-based multicast routing protocol)
Mỗi dạng giao thức lại có ưu nhược điểm riêng: Nếu giao thức dạng mắt lưới có tính ôn định thì giao thức dạng cây lại hiệu quả hơn trong truyền dữ liệu
Trang 24Multicast Các giao thức định tuyến based) Ỷ Các giao thức định tuyên dang cây (Tree- f————— Ỷ Các giao thức định tuyên dạng mắt lưới (Mesh-based)
Dang cay Dang cay chia as 32 x À Khởi tạo từ điệêm Inguồn (Source- sẻ (Shared-tree a Or Ta tr foie nh nhận (ReceIver-
tree based) based) (Seneee- imitated) initiated)
Cue tieu so chéing 1] | Dua trén nhom | ODMRP, CAMP,
re) Chitin hep based) (Cluster-based) NSMP JOD-MRP 5
Cựa tiêu sô kết nôi Phiên đặc biệt
b> (Minimum link (Session- based specific)
Dua trén su 6n Dựa trên gói IP
b> định (Stability- muticast (IP based) muticast -based)
Dựa trên vùng (Zone-based)
Hình 1.5 Giao thức định tuyến Multicast của mạng MANET 1.4.2.1 Giao thức định tuyến dạng cây
a Các giao thức dạng cây nguồn
- Cae giao thirc dinh tuyén multicast dựa trên số chặng tối thiéu (Minimum Các giao thức định tuyến multicast đựa trên số chặng tối thiểu hướng đến rút hop based Multicast Protocols)
là một ví dụ điển hình của nhóm giao thức này
ngắn tối đa đường dẫn giữa nút nguồn và nút nhận là một phần của nhóm multicast Mỗi nút nhận được kết nối đến nút nguồn theo đường dẫn ngắn nhất (hop tối thiểu) và đường dẫn này độc lập với các đường dẫn khác kết nối nút nguồn với phần còn lai cua nhom multicast Multicast Ad hoc On-demand Distance Vector (MAODV)
Trang 25- Các giao thức định tuyến mulicast tối thiêu liên két (Minimum-link based
Multicast Protocols)
Các giao thức tối thiêu liên kết hướng đến mục tiêu làm cho làm cho tổng số liên kết trong cây multicast kết nối từ nút nguồn tới tất cả các nút nhận của nhóm multicast là nhỏ nhất Một cây như vậy sẽ sử đụng băng thông hiệu quả và hỗ trợ tốt cho việc sử đụng đồng thời các kênh không dây cho một số cặp nút có thông tin liên lạc không can thiệp với nhau Giao thức định tuyến multicast băng thông hiệu quả Bandwidth-efficient multicast routing protocol (BEMRP) là một ví dụ của nhóm này, vì giao thức này cỗ gắng giảm thiểu số lượng các liên kết bổ sung khi một nút nhận mới gia nhập vào một cây multicast đang tồn tại trước đó thay vì tìm đường ngắn nhất từ nguôn tới đích, nên nó giảm được số lượng gói tin truyền Hơn nữa, giao thức này cũng tránh được việc truyền gói tin điều khiển một cách định kỳ để tiết kiệm được băng thông truyền
BEMRP còn có thể tối ưu hóa định tuyến để loại bỏ việc truyền đến các nút
không cần thiết Điều này sẽ giảm được một số lượng lớn gói tin trong quá trình truyền phát Giao thức này có ba giai đoạn: Khởi tạo cây, Bảo trì cây và Tối ưu hóa tuyến Hạn chế là xác suất của tuyến đường bị phá vỡ tăng do tăng khoảng cách
giữa nguồn và đích bởi vì một nút nối nhóm multicast thông qua nút chuyên tiếp
- Cac giao thitc multicast dua trén su ồn định (stability-based Multicast
Protocols)
Các giao thức multicast dựa trên sự ổn định hướng đến mục tiêu là duy trì sự
ton tại lâu dài cho cây kết nối từ nút nguồn đến các nút đích trong nhóm multicast
Để đạt mục tiêu này, tại thời điểm gia nhập cây, mỗi nút nhận chọn đường dẫn ổn
định nhất đến nút nguồn Điều này sẽ giảm thiểu số lượng cấu hình lại cây Để xác định những đường dẫn và cây ổn định, các giao thức định tuyến sử đụng các công cụ đo thời gian tồn tại của các liên kết trong mạng LET (Link expiration time) và dự
đoán thời gian hết hiệu lực của liên kết Đại diện là giao thức ABAM (AssocIativity
Trang 26- Giao thie dinh tuyén dwa trén ving Multicast MZRP (Multicast Zone
Routing Protocol)
Giao thức định tuyến MZRP là phần mở rộng multicast của giao thức unicast ZRP (Zone Routing Protocol), là giao thức kết hợp của cả hai giao thức định tuyến chủ ứng và phản ứng Một khu vực mạng bao gồm nhiều nút mà trong đó các nút liên kết với nhau trong khoảng 2 hoặc 3 chặng gọi là vùng (zone) Trong một mạng sẽ tồn tại nhiều vùng (zone) và những vùng này thường trùng lặp một phần với
nhau, nút biên giới là một nút thuộc nhiều hơn một vùng MZRP không phụ thuộc
bất kỳ giao thức định tuyến cơ bản unicast nào Cơ chế định tuyến chủ ứng trong
một khu vực được thực hiện thông qua việc trao đổi tín hiệu định kỳ và cơ chế định
tuyến phản ứng cho truyền thông liên vùng được thực hiện thông qua dòng nhu cầu và cầu trúc cây multicast
b Các giao thức dạng cây chia sẻ
Trang 27- Giao thitc multicast dang trén co so cum ST-WIM (Shared-tree Wireless
Multicast Protocol)
Giao thức multicast dạng cây chia sẻ trên cơ sở cụm ST-WIM có thể hoạt
động trên các nền tảng không dây khác nhau vì nó độc lập với các giao thức định tuyến không dây cơ bản Mỗi nút trung gian trong một cây chia sẻ phải theo dõi tình trạng các thành viên cấp dưới của nó ST-WIM sử dụng hai phương án để duy trì cây chia sẻ: trạng thái cứng (hard-state) và trạng thái mềm (soft-state) ST-WIM được áp đụng trong kiến trúc có sử dụng cụm tuyến và các giao thức truy cập mã thông báo cho liên lạc trong vả ngoài cụm
- Giao thức định tuyến multicast dac biét (Session-specific Ad-hoc Multicast
Routing Protocol)
AMRIS (Adhoc Multicast Routing Protocol Using Increasing ID Numbers) là một giao thức định tuyến multicast thuộc nhóm này Trong giao thức này khi sử dụng số ID tăng lên, AMRIS sẽ cung cấp số nhận dạng riêng đến từng các người dùng mã này được viết tắt là MSM-ID Các MSM-ID có mối quan hệ logic với nhau Người gửi sẽ là người có MSM-ID nhỏ nhất trong cây gọi tất là SID (Smallest MSM-ID) Tất cả các nút trong cây multicast xuất phát từ người gửi đều có một MSM-ID cao hơn so với nút cấp trên của nó Trong trường hợp một môi trường nhiều người gửi, SID được chọn ra trong số những người gửi AMRIS sử
dụng cơ chế tín hiệu của lớp MAC cơ bản để phát hiện sự hiện diện của các người
lang giéng
- Giao thức định tuyến dựa theo phién IP multicast AMRoute (Adhoc Multicast Routing Protocol)
Trang 28cho AMRoute manh mẽ và hiệu qua trong MANET la: (1) Các cây User-multicast cho phép thành viên trong nhóm nhân ban va chuyển tiếp qua các đường hầm (tunnel) IP-in-IP unicast, (2) Nút lõi di chuyên năng động dẫn đến sự thay đổi tương ứng của các thành viên nhóm và kết nối mạng Các nút không phải thành viên trong cây không cần kích hoạt multicast, các cây user-multicast cũng loại bỏ sự cần thiết phải câu hình lại thường xuyên nên không thể tái tạo các gói tin trên cây user- multicast
1.4.2.2 Giao thức định tuyến dạng mắt lưới
Lưới là một tập hợp các nút trong mạng, trong đó cho phép tất cả các nút trong lưới chuyển tiếp các gói multicast thông qua chuyên tiếp gói tin trong phạm vi của nó Các giao thức định tuyến dạng lưới ôn định liên kết hơn các giao thức định tuyến dạng cây và có thê xuất phát từ điểm nguồn hoặc xuất phát từ điểm nhận Có
2 giao thức phô biến là ODMRP và NSMP
15 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV (AD-HOC ON-DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING)
1.5.1 Giới thiệu về giao thức AODV
AODV [1,8] là một giao thức định tuyến động, hoạt động theo yêu cầu, đa
chặng và tự khởi động giữa các nút di động trong mạng MANET Nó cho phép tìm đường nhanh và không yêu cầu các nút đuy trì các con đường tới đích khi không truyền thông Giao thức này cũng cho phép các nút hoạt động bình thường ngay cả
khi cấu trúc mạng thay đổi hoặc liên kết bị đứt
AODDV là giao thức có khả năng tránh định tuyến lặp và có tốc độ hội tụ nhanh
khi hình trạng (topology) mạng thay đổi Khi một liên kết bị đứt, AODV sẽ tạo ra hiệu ứng để báo cho tập các nút liên quan cập nhật thông tin về đường bị lỗi
Trang 29khác và được gửi đi đến nút có yêu cầu tìm đường Nút yêu câu sẽ lựa chọn một con đường có số thứ tự (sequence number) lớn nhất
Các gói yêu cầu đường (RREQ), trả lời đường (RREP), báo lỗi đường (RERR) và gói Hello là các gói điều khiển được định nghĩa trong AODV Khi một nút cần tìm đường đến đích, nó sẽ quảng bá gói RREQ Quá trình quảng bá gói RREQ tao ra các tuyến ngược (reverse route) hướng tới nút nguôn tại các nút nhận gói Khi
một nút nhận được gói RREQ, nếu nó là nút đích hoặc là nút trung gian nhưng có
thông tin về đường “đủ mới” thoả mãn yêu cầu của nút nguồn, nó sẽ gửi gói RREP dang unicast tới nút nguồn để trả lời đường Quá trình truyền gói RREP tạo ra các tuyến chuyển tiếp (forward route) hướng tới nút đích tại các nút nhận gói Gói Hello
được sử dụng để theo dõi trạng thái của liên kết Khi một liên kết thuộc một con
đường bị đứt, gói RERR sẽ được sử dụng để báo lỗi của con đường này cho các nút lang giéng qua “danh sách con trỏ trước”
Quản lý số thứ tự là một việc quan trọng trong AODV đề tránh định tuyến lặp
Một nút đích sẽ trở thành nút không đến được khi một liên kết bị đứt hoặc đang ở
trang thái không hợp lệ Khi những điều kiện này xây ra, đường chứa liên kết này sẽ
được coi là mắt hiệu lực bằng thao tác gán số thứ tự và đánh dấu trong bảng định
tuyến là đường không hợp lệ
1.5.2 Nguyên lý hoạt động của AODV
AODV là sự kết hợp giữa hai giao thức định tuyến DSDV và DSR Trong giao thức định tuyến AODV khi có nhu cầu trao đổi dữ liệu vẫn sử dụng tìm đường như trong DSR là sử dụng tiến trình khám pha tuyén (Route Discovery) Tuy nhiên AODV còn sử dụng nhiều cơ chế khác để duy trì thông tin bảng định tuyến Nó sử dụng bảng định tuyến truyền thống để lưu trữ thông tin định tuyến với mỗi entry
cho một địa chỉ đích
Trang 30đảm bảo rằng thông tin trong bảng định tuyến là mới nhất thì AOVD sử dụng khái niệm số thứ tự đến đích của giao thức DSDV để loại bỏ những đường đi không còn giá trị trong bảng định tuyến Mỗi nút sẽ có một bộ tăng số thứ tự (sequence number) riêng cho nó
AODV là giao thức dựa trên thuật toán véc tơ khoảng cách nhưng thuộc loại
định tuyến theo yêu cầu, nó chỉ yêu cầu đường định tuyến khi cần thiết Giao thức này không đòi hỏi các nút phải duy trì các đường định tuyến tới các đích, bởi vì không phải lúc nào chúng cũng được sử đụng Chỉ cần các điểm đầu nút của một kết
nối có một đường định tuyến phù hợp để đi được tới nhau là được AODV sử dụng
các gói tin khác nhau để tìm ra và duy trì các kết nối, gồm có: Các gói yêu cầu
tuyến (RREQ), trả lời tuyến (RREP), báo lỗi tuyến (RERR)
Hình 1.6 Truyền gói tin trong AODV
AODV gắn số thứ tự cho từng đường định tuyến Sử dụng các số thứ tự này đảm bảo sẽ không xuất hiện hiện tượng lặp và cho biết đường định tuyến nào là tốt hơn Đề lựa chọn giữa hai đường định tuyến tới cùng một đích, nút gửi yêu cầu định tuyến luôn chọn đường có số thứ tự tương ứng cao nhất Các nút trên đường định tuyến đang hoạt động bình thường có thể đưa ra thông tin kết nối bằng cách quảng bá định kỳ ra các nút lang giéng gi tin HELLO Néu goi tin HELLO không còn nhận được từ một láng giềng nào đó sau một khoảng thời gian định trước thì có thé
đã mất kết nối tới nút láng giềng đó
Khi một nút phát hiện ra đường đi tới một nút láng giềng không còn dùng được nữa thì nó sẽ xóa thông tin đường này và gửi đi một gói RERR tới các láng
Trang 31nút mà nhận được bản tin RERR có thể gửi đi bản tin RREQ AODV thực hiện một
số quá trình xử lý sau:
1.5.2.1 Quá trình khám phá tuyến (Path Discovery)
Quá trình khám phá tuyến được khởi tạo bất cứ khi nào một nút nguồn cần giao tiếp với một nút khác mà nó không có thông tin định tuyến trong bảng của nó
Mỗi nút duy trì hai bộ đếm riêng biệt: bộ đếm số sequence number va b6 dém
broadcast id Mét nit nguén khéi tao kham pha dwong di bang cach phat quang ba một gói yêu cầu tuyến RREQ tới các láng giềng của nó RREQ chứa các trường sau: <source qddr, source sequence _#, broadcast id, dest_addr, dest sequence #, hop_count >
Cặp <source_adár, broadcast id> xác định đuy nhất một RREQ broadcast_id được tăng lên bất cứ khi nào nguồn phát ra RREQ mới Mỗi láng giềng có thê đáp ứng RREQ bằng cách gửi RREP trả lời tuyến trở về nguồn hoặc phát quảng bá lại RREQ tới các láng giềng của nó sau khi ting hop_ count Một nút có thể nhận được nhiều bản sao của cùng gói tin phát quảng bá tuyến từ các láng giểng khác nhau
Khi một nút trung gian nhận được một RREQ, nếu nó đã nhận được một RREQ với
cing mot broadcast id va dia chi nguén, n6 sé giam RREQ thừa và không phát lại nó Nếu một nút không thê đáp ứng được RREQ, nó sẽ theo dõi các thông tin tiếp theo để thực hiện thiết lập đường đi đảo ngược, cũng như thiết lập đường đi chuyền tiếp cùng với việc truyền tải RREP sau cùng:
- Địa chỉ IP đích - Địa chỉ IP nguồn - Broadcast_id
Trang 32Bat dau tién trinh kham pha tuyên tại nguồn Phát RREQ đến các láng giéng
Trước đó nút chưa nhận RREQ?
<source addr, broadcast id> Ỷ Hủy gói RREQ
Thém <source_addr, broadcast_id> vao Route
cache cua node Kết thúc tiền trình xử lí gói RREQ đã nhân Nút không là đích ?
Không có đường trong Route cache? Hoặc có đường nhưng DSN của Router cache nhỏ hơn DSN của ĐĐTfA Vv Phan héi RREQ vé netiÔn - Thiết lập đường dẫn ngược vẻ node phát RREQ - hop_count = hop_count +1 Kết thúc tiền trình khám phá tuyên
Hình 1.7 Cơ chế xử lí khám phá tuyến tại nút của AODV
- Thiết lập tuyến đảo ngược (Reverse Path):
Ngoài broadcas ¡4 còn có hai số sequence number bao gồm trong RREQ: số sequence number nguôn và sô sequence number đích cuôi cùng được biết đên
Trang 33nguồn Số sequence number nguồn được sử dụng để duy trì độ tươi thông tin về tuyến ngược lại đến nguôn, và số sequence number đích xác định tuyến đến đích phải tươi mới như thế nào trước khi nó có thê được chấp nhận bởi nguồn
Khi RREQ di chuyên từ nguồn đến các đích khác nhau, nó tự động thiết lập tuyến ngược lại từ tất cả các nút đến nguồn như được minh họa trong hình 1.8 Để thiết lập tuyến đảo ngược, một nút lưu lại địa chỉ của láng giềng mà từ đó nó đã nhận được bản sao đầu tiên của RREQ Các entry tuyến ngược lại này được duy trì ít nhất đủ thời gian để RREQ đi qua mạng và trả lời cho người gửi “ Og G ee ị 5 Đ ể ` te gp timeout
Hinh 1.8 Hinh thanh tuyén dao Hinh 1.9 Hinh thanh tuyén
ngugc (Reverse Path) chuyén tiép (Forward Path) - Thiét ldp tuyén chuyén tiép (Forward Path):
Cuối cùng, một RREQ sẽ đến một nút (có thể là đích của nó) có một tuyến hiện hành đến đích Nút nhận đầu tiên kiểm tra rằng RREQ đã nhận được qua một
liên kết hai chiều Nếu một nút trung gian có một entry tuyến đường cho đích mong muốn, nó sẽ xác định xem tuyến có phải là hiện hành bằng cách so sánh số sequence number đích trong entry tuyến đường của nó với số sequence number đích trong RREQ Nếu số sequence number của RREQ cho đích lớn hơn số được lưu lại bởi nút trung gian, thì nút trung gian không sử dụng tuyến đã lưu lại của nó để đáp lại RREQ Thay vào đó, nút trung gian phát quảng bá lại RREQ Nút trung gian chỉ
Trang 34có thể trả lời khi nó có một tuyến với một số sequence number lớn hơn hoặc bằng
với số có trong RREQ Nếu nó có một tuyến hiện hành đến đích, và nếu RREQ
chưa được xử lý trước đó, nút đó sẽ phát unicast một gói tin trả lời tuyến (RREP) trở lại láng giểng của nó mà từ đó nó nhận được RREQ Một gói RREP chứa thông tin sau:
<source_addr, dest addr, dest_sequence_#, hop_count, lifetime >
Theo thời gian một gói tin phát broadcast đến một nút có thể cung cấp một tuyến đến đích, một tuyến đảo ngược đã được thiết lập đến nguồn của RREQ Khi
RREP di chuyển trở lại nguồn, mỗi nút dọc theo đường đi thiết lập một con trỏ
chuyển tiếp đến nút mà từ đó RREP đến, cập nhật thông tin timeout cho các entry tuyến đường đến nguôn và đích, và lưu lại số sequence number đích mới nhất cho
đích yêu cầu Hình 1.9 mô tả thiết lập đường đi chuyên tiếp khi RREP đi từ đích D
tới nút ngudn S
Một nút sẽ truyền RREP đầu tiên nhận được cho một nút nguồn xác định Nếu nhận được các RREP tiếp theo, nó cập nhật thông tin định tuyến của nó và chỉ
truyền RREP nếu RREP chứa số sequence number đích lớn hơn RREP trước đó hoặc cùng số sequence number đích với một hop-count nhỏ hơn Nó ngăn chặn tất cả các RREP khác mà nó nhận được Điều này làm giảm số lượng các RREP truyền cho nguồn, đồng thời đảm bảo cập nhật và thông tin định tuyến nhanh nhất Nút nguồn có thé bat đầu truyền dữ liệu ngay khi nhận được RREP đầu tiên và sau đó có thê cập nhật thông tin định tuyến của nó nếu nó biết một tuyến tốt hơn
1.5.2.2 Quản lý bảng định tuyến
Một nút di động duy trì một entry trong bảng định tuyến cho mỗi đích liên quan Mỗi entry chứa các thông tin sau:
Trang 35- $6 Sequence number cua nút đích
- Các nút láng giềng hoạt động (active) của tuyến - Thời gian hết hạn của các entry
Trong mỗi entry bảng định tuyến, địa chỉ của các nút láng giéng 6 trang thái
active mà có định tuyến vẫn được lưu trữ Một nút láng giéng duoc dat 6 trang thai
active nếu nó khởi tạo hoặc chuyển tiếp ít nhất một gói đến nút đích trong giới hạn vượt quá thời gian hoạt động (active-timeout) Thông tin này cần được lưu giữ để giúp cho việc thông báo một liên kết bị hỏng đến các nút ở trạng thái hoạt động
được thuận lợi
Khi có một đường đi mới đến một nút đích, thì nút nguồn sẽ so sánh số
sequence number của đường đi mới với số sequence number có trong entry tương ứng với địa chỉ đích trong bảng định tuyến Đường đi mà có số sequence number lớn hơn sẽ dugc chon Néu sé sequence number bang nhau, thì đường đi nào có số
hop-count nhỏ hơn sẽ được chon
1.5.2.3 Quá trình duy trì tuyến (Path Maintenance)
Cơ chế hoạt động của AODV là không cần phải biết về các nút lang giéng, chỉ cần dựa vào các entry trong bảng định tuyến Vì vậy khi một nút nhận thấy rằng hop tiếp theo của nó không thể tìm thấy thì nó sẽ phát một gói RRER (Route Error) khẩn cấp với số sequence number bằng số sequence number trước đó cộng thêm 1, hop count bằng œ và gửi đến tất cả các nút láng giềng đang ở trạng thái active, những nút đó sẽ tiếp tục chuyền gói tin đó đến các nút láng giềng của nó và cứ như vậy cho
đến khi tất cả các nút trong mạng ở trạng thái active nhận được gói tin này
Trang 361.6 KET LUAN CHUONG
Trong Chuong 1 téi da tim hiéu mét sé kién thirc co ban vé mang tiy bién không dây di động MANET: là tập hợp tất cả các điểm di động, và cũng là tập hợp
các thiết bị định tuyến đi động được kết nối bởi các liên kết không dây - sự kết hợp
này tạo thành một cấu trúc liên kết ngau nhién Cac thiét bi dinh tuyén tu do di
chuyển một cách ngẫu nhiên và chúng tự tổ chức một cách ngẫu nhiên; do đó cấu trúc liên kết không dây có thể thay đổi nhanh chóng và khó lường Nhờ vào lợi thế không dây và tự do đi chuyên mà mạng MANET phù hợp với các tình huống khẩn cấp như thiên tai, thảm hoạ đo con người gây ra, các xung đột quân sự, các tình huống y tế khẩn cấp
Do tính chất thường xuyên thay đổi cao của mạng MANET đã đặt ra các giới hạn khắc khe về giao thức định tuyến phải thiết kế đặc biệt cho chúng, do đó việc thúc đây
Trang 37Chuong 2 THUAT TOAN TOI UU HOA DAN KIEN VA UNG DUNG
TRONG DINH TUYEN TREN MANG MANET
2.1 GIỚI THIỆU
Tìm tuyến dựa trên dữ liệu động đã được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên
cứu Các hướng nghiên cứu cũ dựa trên kỹ thuật truyền thống như thuật toán Bellman-Ford hay Dijkstra với chi phi tính toán cao, phức tạp Một số phương pháp
đã được đề xuất và thực hiện tốt việc tìm kiếm trong mạng động như hệ thống SI (Swarm Intelligent) Giai thuat dinh tuyén kiến là kỹ thuật hứa hẹn nhất trong việc
tìm kiếm tuyến tối ưu với chi phi tính toán thấp
Tối ưu đàn kiến (Ant Colony Optimization — ACO) la một phương pháp metaheuristic được để xuất bởi Dorigo vào năm 1991 dựa trên ý tưởng mô phỏng cách tìm đường đi từ tổ tới nguồn thức ăn và ngược lại của các con kiến tự nhiên để
giải gần đúng bài toán tối ưu tổ hợp NP-khó
Trên đường đi của mình các con kiến thực để lại một vết hóa chất được gọi
là vết mùi (pheromone), đặc điểm sinh hóa học của vết mùi này là có khả năng ứ đọng, bay hơi và là phương tiện giao tiếp báo cho các con kiến khác thông tin về đường đi đó một cách gián tiếp Các con kiến sẽ lựa chọn đường đi nào tồn đọng
lượng mùi hay có cường độ vết mùi lớn nhất tại thời điểm lựa chọn để đi, nhờ cách
giao tiếp mang tính gián tiếp và cộng đồng này mà đàn kiến trong tự nhiên tìm được đường đi ngắn nhất trong quá trình tìm thức ăn mang về tổ và ngược lại
Hành vi của kiến có thể được sử dụng để tìm đường đi ngắn nhất trên mạng Đặc biệt, các thành phần động của phương thức này cho phép thích nghỉ cao đối với các thay đổi hình trang mang MANET
Trước khi giới thiệu phương pháp ACO, cần giới thiệu phương thức trao đổi thông tin gián tiếp của các con kiến thực và mô hình kiến nhân tạo
2.1.1 Kiến thực
Trang 38kiến có thể thực hiện được những công việc phức tạp vượt xa khả năng của từng con kiến, đặc biệt là khả năng tìm đường đi ngắn nhất từ tổ đến nguồn thức ăn mặc dù chúng không có khả năng đo độ dài đường di (xem hinh 2.1, 2.2, 2.3, 2.4) Trước hết ta xem các đàn kiến tìm đường đi như thế nào mà có thể giải quyết được
các vân đề tôi ưu hóa
Trên đường, mỗi con kiến để lại một chất hóa học gọi là vết mùi dùng để
đánh dấu đường đi Bằng cách cảm nhận vết mùi, kiến có thể lần theo đường đi đến nguồn thức ăn được các con kiến khác khám phá theo phương thức chọn ngẫu nhiên có định hướng theo nồng độ vết mùi Các con kiến chịu ảnh hưởng của các vết mùi của các con kiến khác là ý tưởng đề thiết kế thuật toán ACO
Trang 39Tả ey ohh one bh a iia weg le Ngnỗn thức ăn
Hình 2.4 Các kiến đi qua tuyến ngắn nhất
Hình 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 cho thấy một kịch bản với một tuyến đường từ tô đến
nơi thức ăn, trong đó tất cả các con kiến đều theo vết mùi Đột nhiên, một trở ngại
xây ra trên đường của chúng khiến những con kiến đầu tiên chọn nhánh tiếp theo giữa hai nhánh: nhánh trên và dưới Vì tuyến trên ngắn hơn đoạn dưới, những con kiến đi theo con đường ngắn hơn này sẽ đến nơi thực phẩm dau tiên Trên đường trở về tổ, những con kiến lại phải chọn con đường Sau một thời gian ngắn nồng độ mùi trên đường đi ngắn hơn sẽ cao hơn trên đường đi dài hơn, bởi vì kiến sử dụng đường đi ngắn hơn sẽ làm tăng nồng độ mùi nhanh hơn Con đường ngắn nhất sẽ được xác định và cuối cùng tất cả các kiến sẽ chỉ sử dụng con đường này Hành vi này của kiến có thể được sử dụng đề tìm đường đi ngắn nhất trong mạng
Thí nghiệm chiếc cầu đôi
Có nhiều thực nghiệm nghiên cứu về hành vi để lại vết mùi và đi theo vết mùi của loài kiến Một thực nghiệm được thiết kế bởi Deneubourg và các đồng nghiép (Deneubourg, Aron, Goss, & Pasteels, 1990; Goss et al., 1989) nho dung
một chiếc cầu đôi nối từ tơ của lồi kiến tới nguồn thức ăn như minh họa trong hình
2.5 Họ đã thực nghiệm với tỉ lệ độ dài đường r = l¡ / l; giữa hai nhánh của chiếc cầu đôi khác nhau, trong đó Ùb là độ dài của nhánh dài còn !; là độ dài của nhánh
ngắn Trong thử nghiệm đầu tiên với cây cầu có hai nhánh chiều dài bằng nhau (r = 1; xem hình 2.5a)
Trang 40Thức ăn Tổ Thức ăn
(a) (b)
Hình 2.5 Thí nghiệm chiếc cầu đôi (a) Hai nhánh có kích thước bằng nhau,
(b) Một nhánh có kích thước gấp đôi nhánh kia
Khi bắt đầu, trên 2 nhánh của cây cầu đều chưa có mùi Do đó, các con kiến có thể chọn một trong các nhánh với cùng một xác suất Tuy nhiên, do sự lựa chọn
là ngẫu nhiên lên sau một thời gian số lượng kiến đi trên những chỉ nhánh sẽ là khác nhau Bởi vì loài kiến sẽ gửi mùi trong khi di chuyển, đần dần số lượng mùi trên những nhánh cũng sẽ khác nhau, điều này càng kích thích thêm đàn kiến sẽ lựa
chọn nhánh có lượng mùi lớn, và như vậy đến một thời gian nào đó tất cả đàn kiến sẽ hội tụ về cùng một nhánh
Trong thực nghiệm thứ hai (xem hình 2.5b), độ dài giữa nhánh đài hơn gấp đôi nhánh ngắn hơn (tỉ lệ r = 2) Trong trường hợp này, sau một thời gian tất cả các kiến chọn đi duy nhất theo đường ngắn hơn Cũng như thực nghiệm thứ nhất, ban
đầu kiến lựa chọn đường đi theo hai nhánh như nhau, ta có thể giả sử một nửa kiến
đi theo nhánh ngắn và một nửa đi theo nhánh dài (mặc dù ngẫu nhiên nhưng vẫn có
thể một nhánh sẽ có nhiều lựa chọn hơn nhánh khác) Tuy nhiên thực nghiệm này khác với thực nghiệm trên: bởi vì một nhánh ngắn hơn nhánh kia nên các kiến lựa
chọn theo nhánh ngắn hơn sẽ nhanh chóng quay trở lại từ nguồn thức ăn về tô và phải lựa chọn giữa nhánh ngắn và nhánh dài, nồng độ mùi trên nhánh ngắn đang cao
hơn nông độ mùi trên nhánh dài, do đó nó ưu tiên lựa chọn di theo nhánh ngắn hơn