Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến đa đường theo trọng số qos cho mạng ad hoc di động

ĐỖ ĐÌNH CƯỜNG Trang 3 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến đa đường theo trọng số QoS cho mạng ad hoc di động” tôi đã nhận được sự giúp

bưq1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Trần Thị Thanh Dung

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG THEO

TRỌNG SỐ QoS CHO MẠNG AD HOC DI ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Trần Thị Thanh Dung

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG THEO

TRỌNG SỐ QoS CHO MẠNG AD HOC DI ĐỘNG

Ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐỖ ĐÌNH CƯỜNG

Thái Nguyên - 2023

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định

tuyến đa đường theo trọng số QoS cho mạng ad hoc di động” tôi đã nhận được

sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ

thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên để hoàn thành luận văn này

Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám

hiệu, phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ thông tin, các thầy giáo, cô giáo thuộc

Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên

đã tham gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập,

nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy TS Đỗ Đình Cường - người

đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để tôi

hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động

viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song

có thểcòn có những mặt hạn chế, thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng

góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn

được hoàn thiện

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2023

Học viên

Trần Thị Thanh Dung

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG VÀ ĐỊNH TUYẾN QoS TRONG MẠNG AD HOC DI ĐỘNG 5

1.1 Khái niệm mạng ad hoc di động 5

1.2 Vấn đề định tuyến dành cho mạng ad hoc di động 10

1.2.1 Yêu cầu của bài toán định tuyến đối với mạng ad hoc di động 10

1.2.2 Phân loại các chiến lược định tuyến dành cho mạng ad hoc di động 11

1.3 Định tuyến đa đường và định tuyến QoS trong mạng ad hoc di động 16 1.3.1 Giao thức định tuyến đa đường AOMDV 16

1.3.2 Tích hợp QoS vào giao thức định tuyến đa đường AOMDV 18

1.4 Tổng kết Chương 1 20

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG THEO TRỌNG SỐ QoS TRONG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN QCLR 22

2.1 Ý tưởng cải tiến giao thức QCLR từ giao thức AOMDV 22

2.2 Xây dựng hàm lượng giá đường theo QoS 23

2.2.1 Phân lớp các ứng dụng theo yêu cầu QoS 23

2.2.2 Phương pháp ra quyết định chọn đường 24

2.2.3 Xác định trọng số của các tham số QoS 27

2.3 Cơ sở kỹ thuật của định tuyến đa đường theo trọng số QoS trong giao thức QCLR 30

2.3.1 Xây dựng hàm lượng giá đường 30

2.3.2 Cơ chế định tuyến QoS đa đường của giao thức QCLR 31

2.4 Tổng kết Chương 2 34

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN ĐA

ĐƯỜNG THEO TRỌNG SỐ QoS TRONG GIAO THỨC QCLR 35

3.1 Kịch bản mô phỏng 35

3.2 Các độ đo đánh giá hiệu năng 37

3.3 Các kết quả và đánh giá 37

3.3.1 Độ trễ truyền gói tin trung bình 37

3.3.2 Thông lượng trung bình 38

3.3.3 Tỷ lệ truyền gói thành công 40

3.3.4 Tải định tuyến 42

3.4 Tổng kết Chương 3 43

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa mạng ad hoc di động 5

Hình 2.1 Cây AHP cho bài toán chọn đường đa tiêu chuẩn 27

Hình 3.2 Trễ truyền gói trung bình của giao thức QCLR & AOMDV 38

Hình 3.3 Thông lượng trung bình của giao thức QCLR & AOMDV 39

Hình 3.4 Tỉ lệ truyền thành công của giao thức QCLR & AOMDV 41

Hình 3.5 Tải định tuyến của giao thức QCLR & AOMDV 42

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chiến lược định tuyến mạng ad hoc di động 11

Bảng 2.1 Các ngưỡng QoS theo các lớp lưu lượng 24

Bảng 2.2 Lượng hoá độ quan trọng của các tham số QoS lớp 1 28

Bảng 2.3 Lượng hoá độ quan trọng của các tham số QoS lớp 2 28

Bảng 2.4 Lượng hoá độ quan trọng của các tham số QoS lớp 3 28

Bảng 2.5 Trọng số của các tham số QoS theo các lớp lưu lượng 30

Bảng 2.6 Trọng số của các tham số QoS trong hàm lượng giá đường 31

Bảng 3.1 Các tham số chung của mô phỏng 36

Bảng 3.2 Các tham số đặc biệt của mô phỏng 36

Bảng 3.3 Trễ truyền gói trung bình của giao thức QCLR và AOMDV 37

Bảng 3.4 Thông lượng trung bình của giao thức QCLR và AOMDV 39

Bảng 3.5 Tỷ lệ truyền thành công của giao thức QCLR và AOMDV 40

Bảng 3.6 Tải định tuyến của giao thức AODV và AODV-DM 42

MỞ ĐẦU

Trong xu thế phát triển của mạng Internet kết nối vạn vật hiện nay, bên cạnh các kết quả nghiên cứu đã tương đối hoàn thiện nhằm phát triển hệ thống mạng lõi, các nghiên cứu phát triển các công nghệ mạng không dây cho phép kết nối các thiết bị thông minh để triển khai nhiều ứng dụng hữu ích phục vụ cho cuộc sống của con người ngày càng được chú trọng Công nghệ mạng không dây nói chung và mạng ad hoc di động [1] nói riêng được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như phòng chống thiên tai, thảm họa, hỗ trợ giám sát giao thông, môi trường, sản xuất, phục vụ quốc phòng, an ninh, hỗ trợ các công việc trong lĩnh vực kinh doanh, văn phòng, giáo dục, giải trí … Với đặc điểm là một hệ thống mạng được triển khai mà không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cố định, một trong những vấn đề quan trọng ảnh hưởng tới hiệu năng mạng ad hoc di động là giao thức định tuyến được sử dụng trong mạng Vì vậy, định tuyến trong mạng ad hoc di động là một vấn đề lớn được quan tâm nghiên cứu ngay từ ngày đầu công nghệ mạng này ra đời và vẫn đang tiếp tục được quan tâm nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu năng trong các mô hình mạng ad hoc di động cụ thể

AODV [2] 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 ad hoc di động Nó cho phép tìm đường nhanh và không yêu cầu các nút duy 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

Giao thức định tuyến AOMDV [3] được phát triển từ giao thức định tuyến AODV Nó kế thừa nhiều đặc tính của giao thức AODV như: định tuyến theo yêu cầu, đa chặng và sử dụng cơ chế cập nhật theo sự kiện Sự khác biệt lớn nhất của hai giao thức này chính là số lượng đường được tìm thấy sau mỗi tiến

trình tìm đường Trong khi giao thức AODV chỉ tìm duy nhất một đường thì giao thức AOMDV cho phép tìm nhiều hơn một đường cài đặt vào bảng định tuyến

Trong thời gian qua, đã có những đề xuất cải tiến giao thức AOMDV theo cách tiếp cận xuyên tầng nhằm hỗ trợ yêu cầu QoS của dữ liệu Tuy nhiên, trong những cải tiến này, việc phân lớp các lưu lượng dữ liệu của tầng Ứng dụng theo yêu cầu QoS theo chuẩn ITU-T G.1010 [4] vẫn chưa được thực hiện Điều này dẫn đến sự hỗ trợ của thuật toán định tuyến theo yêu cầu QoS chưa thực sự hiệu quả

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu về một kỹ thuật định tuyến mới được đề xuất trong giao thức định tuyến QCLR [5] Đây là giao thức được phát triển từ giao thức AOMDV cho phép nhận biết các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS)

từ các chương trình ứng dụng và tìm đường phù hợp với các yêu cầu QoS để chuyển tiếp dữ liệu trên cơ sở tích hợp các tham số về chất lượng đường, độ bền vững của đường và các thông số QoS vào độ đo định tuyến Kỹ thuật này đòi hỏi phải có kiến trúc giao thức định tuyến hoạt động liên tầng và các kỹ thuật ước lượng các thông số kỹ thuật của liên kết và đường đầu cuối nhằm mục đích phân loại và sắp xếp độ ưu tiên khi sử dụng các con đường tìm được

để chuyển tiếp cho dữ liệu của các ứng dụng khác nhau

Cấu trúc luận văn được trình bày như sau: Chương 1 trình bày tổng quan

về định tuyến đa đường và định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng ad hoc di động Kỹ thuật định tuyến đa đường theo trọng số QoS sẽ được trình bày chi tiết trong Chương 2 thông qua giao thức định tuyến QCLR Kết quả của việc cài đặt, mô phỏng, so sánh đánh giá hiệu năng của giao thức QCLR

và một số giao thức cùng lớp được trình bày trong Chương 3 Nội dung tổng kết và hướng phát triển của đề tài được đưa ra trong phần kết luận

CHƯƠNG 1 ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG VÀ ĐỊNH TUYẾN QoS

TRONG MẠNG AD HOC DI ĐỘNG

1.1 Khái niệm mạng ad hoc di động

Mạng ad hoc di động (Mobile Ad hoc Network - MANET) [1] là một tập các nút không dây di động có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của trạm cơ sở cố định hoặc mạng có dây Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giới hạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp các gói dữ liệu

Hình 1.1 Minh họa mạng ad hoc di động

Hình 1.1 minh họa một mạng ad hoc di động Trong đó, các gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điện thoại thông minh không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn Vì vậy, cần có sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích Để thực hiện được công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp cho mạng ad hoc di động

Thuật ngữ “Ad hoc” áp dụng cho mạng không dây mô tả một mạng không

có cơ sở hạ tầng cố định, trong đó hình trạng mạng được tạo thành bởi chính các nút mạng Chế độ “Ad hoc” của chuẩn IEEE 802.11 hoạt động theo mô hình này, mặc dù nó chỉ hỗ trợ để thiết lập một mạng đơn chặng Các mạng ad hoc di động đã mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng theo nghĩa: một nút mạng

có thể định tuyến và chuyển tiếp một gói tin nó nhận được từ một nút mạng khác Nói cách khác, con đường chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích

có thể chứa các nút trung gian khác Các nút trung gian sẽ đọc thông tin trong phần header của các gói tin dữ liệu và chuyển tiếp chúng tới chặng kế tiếp trên một con đường đã được hình thành

Các nút trong mạng ad hoc di động thông thường sẽ kết nối với nhau trong một khoảng thời gian để trao đổi thông tin Trong khi trao đổi thông tin, các nút này vẫn có thể di chuyển, do đó, mạng này phải đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu trong khi hình trạng mạng có thể thay đổi liên tục Các nút mạng phải có cơ chế tự tổ chức thành một mạng để thiết lập các đường truyền dữ liệu

mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài Trong mô hình này, mỗi nút mạng có thể đóng vai trò là một nút đầu cuối để chạy các chương trình ứng dụng của người

sử dụng hoặc là một bộ định tuyến để chuyển tiếp các gói tin cho các nút mạng khác

❖ Đặc điểm của mạng ad hoc di động

Do ad hoc di động là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các thiết bị

di động vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạng ad hoc di động còn có một số đặc điểm nổi bật sau:

− Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng ad hoc

di động có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một

máy tính xách tay Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế

so với các máy tính trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc

độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút

− Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không xác định trước Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng ad hoc di động có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều

− Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn

so với mạng có dây Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh

và bảo mật trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch

vụ thường dễ triển khai trong mạng ad hoc di động hơn là trong mạng có dây truyền thống

− Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc

độ truyền tối đa theo lý thuyết của môi trường truyền không dây

Có thể thấy những đặc điểm này là các yếu tố ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của mạng ad hoc di động Để có thể triển khai được mạng ad hoc di động trong thực tế, các thiết kế mạng ad hoc di động phải giải quyết được những thách thức sinh ra do những đặc điểm đã nêu trên của mạng ad hoc di động Những thách thức này gồm các vấn đề kỹ thuật như khả năng truyền dữ liệu và định tuyến hiệu quả khi kích thước mạng thay đổi; đảm bảo chất lượng dịch vụ

(QoS) cho các chương trình ứng dụng; cơ chế chuyển đổi một số dịch vụ từ mô hình client-server; tiết kiệm năng lượng pin để kéo dài thời gian hoạt động của các nút mạng riêng lẻ và của toàn mạng; đảm bảo an ninh mạng; khả năng hợp tác giữa các nút mạng và khả năng tự tổ chức của mạng

❖ Ứng dụng của mạng ad hoc di động

Ngày nay, mạng ad hoc di động có nhiều những ứng dụng trong đời sống, kinh tế, xã hội của con người Mô hình mạng này phù hợp đối với những tình huống cần triển khai hệ thống mạng một cách nhanh chóng, linh động và thường xuyên có sự biến đổi trong cấu trúc mạng Ngày nay, mạng ad hoc di động được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ các ứng dụng trong thương mại tới các ứng dụng trong các hoạt động quân sự, ứng dụng trong các hoạt động khẩn cấp, ứng dụng trong gia đình, văn phòng và giáo dục, mạng giao thông và mạng cảm biến

Đối với các ứng dụng của mạng ad hoc di động trong thương mại, những người dùng có thể chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị di động trong một cuộc họp hay hội thảo mà không cần sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng mạng cố định Các máy tính của những cá nhân có thể kết nối với nhau để tạo thành một mạng tạm thời phục vụ cho các ứng dụng truyền thông dữ liệu trong một nhóm những người dùng mà không cần sự hiện diện của các bộ thu phát tập trung Kết nối Internet từ một thiết bị của một người dùng cũng có thể được chia sẻ tới các thiết bị của những người dùng khác thông qua mạng ad hoc di động

Ứng dụng mạng ad hoc di động trông quân đội là một trong những ý tưởng được đưa ra ngay từ khi mạng ad hoc di động được phát triển Trong mô hình chiến đấu của quân đội trên chiến trường không có sự hỗ trợ về hạ tầng mạng cố định, mỗi người lính hoặc một phương tiện quân sự như xe tăng, máy bay, tàu chiến, tàu thủy đều có thể được kết nối và trao đổi thông tin tạm thời

với nhau hoặc với trạm chỉ huy một cách linh động thông qua mạng ad hoc di động được hình thành bởi kết nối giữa các thiết bị di động truyền thông không dây được gắn vào các phương tiện quân sự hay những người lính tham gia vào cuộc chiến

Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, có thể tất cả các phương tiện và hạ tầng truyền thông được xây dựng trước đó đều bị phá hủy hoàn toàn Mỗi chiếc

xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… có thể được trang bị các thiết bị truyền nhận không dây để trở thành một thiết bị đầu cuối di động và là một phần của mạng ad hoc di động Mỗi nhân viên cứu hộ cũng có thể cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động Các thiết bị đầu cuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng ad hoc di động tạm thời nhằm trao đổi thông tin Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau Ngoài ra, các thiết bị đầu cuối

di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin mà còn có thể chuyển tiếp thông tin như vai trò như các bộ định tuyến

Mỗi thiết bị thông minh trong gia đình, các điên thoại di động thông minh

và máy tính của những người sử dụng trong văn phòng, trong môi trường trường học, các lớp học có thể đóng vai trò như một nút mạng trong một mạng

ad hoc di động được hình thành tạm thời mà không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cố định nhằm phục vụ cho các ứng dụng chia sẻ thông tin, truyền dữ liệu multimedia, quản lý ngôi nhà thông minh, quản lý lớp học thông minh,…

Trong vấn đề quản lý và hỗ trợ giao thông, mỗi phương tiện giao thông đóng vai trò là một nút mạng di động trong mạng ad hoc di động được hình thành tạm thời trên một khu vực địa lý nhằm hỗ trợ trao đổi và quản lý các thông tin về tình trạng giao thông, hỗ trợ tìm đường tránh tắc nghẽn giao thông, theo dõi và quản lý các thiết bị tham gia giao thông, v.v

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ Một mạng ad hoc

di động có thể là một mạng cảm biến gồm các nút cảm biến Các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,

1.2 Vấn đề định tuyến dành cho mạng ad hoc di động

1.2.1 Yêu cầu của bài toán định tuyến đối với mạng ad hoc di động

Do mạng ad hoc di động có những khác biệt lớn với mạng truyền thống

về tài nguyên hạn chế tại các nút mạng, băng thông hạn chế, tỷ lệ lỗi cao, topo mạng thay đổi liên tục Do đó, các giao thức định tuyến trong mạng ad hoc di động cần đảm bảo được những yêu cầu sau [1]:

− Tối thiểu hóa tải điều khiển: Việc truyền và nhận các gói tin điều khiển đều tiêu tốn băng thông mạng, tài nguyên xử lý và năng lượng pin Giao thức định tuyến nào giảm được số lượng các gói tin điều khiển thì sẽ tiết kiệm được những tài nguyên này

− Tối thiểu hóa tải xử lý: Những thuật toán phức tạp yêu cầu tài nguyên CPU cao dẫn đến trễ xử lý lớn và tốn pin tại các nút mạng Giao thức định tuyến

có thuật toán đơn giản sẽ kéo dài được thời gian hoạt động của toàn mạng

− Hỗ trợ định tuyến đa chặng: Mỗi nút mạng không dây chỉ có khả năng truyền tín hiệu trong một phạm vi giới hạn nên để thực hiện việc truyền

dữ liệu trong mạng, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đường đa chặng giữa các cặp nút nguồn – đích

− Đáp ứng được với sự thay đổi về topo mạng: Giao thức định tuyến phải

có khả năng duy trì được các đường đã tìm được khi nút nguồn, nút đích hoặc các nút trung gian trên các đường đó di chuyển Các kết nối trong

mạng ad hoc di động cũng thường xuyên bị phá vỡ nên giao thức định tuyến phải có khả năng phản ứng nhanh với tải điều khiển nhỏ nhất

− Ngăn chặn định tuyến lặp: Vấn đề định tuyến lặp bởi việc một nút chọn chặng kế tiếp của đường là một nút trước đó đã xuất hiện Khi tồn tại đường lặp vòng, các gói dữ liệu sẽ bị chuyển tiếp liên tục trong vòng mà không đến được đích cho đến khi trường TTL của nó bằng không Hiện tượng này gây tốn băng thông và giảm hiệu năng mạng Vì vậy, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đường không bị lặp vòng

1.2.2 Phân loại các chiến lược định tuyến dành cho mạng ad hoc di động

Tùy theo các tiêu chí phân loại như số lượng vùng định tuyến, số lượng đường được thành lập, phương pháp truyền thông tin định tuyến, vị trí tính toán đường, thời điểm định tuyến và thông tin định tuyến trong header của gói điều khiển mà có thể phân loại các chiến lược định tuyến trong mạng ad hoc di động thành 6 nhóm tương ứng [8] được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Chiến lược định tuyến mạng ad hoc di động

Số lượng vùng định tuyến Định tuyến phẳng và định tuyến

phân cấp

Số lượng đường được thành lập Định tuyến đơn đường và định tuyến

đa đường Phương pháp truyền thông tin định

tuyến

Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện

Vị trí tính toán đường Định tuyến tập trung và định tuyến

phân tán Thời điểm định tuyến Định tuyến tìm đường trước và tìm

đường theo yêu cầu Thông tin định tuyến trong header

của gói

Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng

❖ Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp

Trong định tuyến phẳng, mọi nút trong mạng đều có cùng cấp độ và chức năng định tuyến Chiến lược định tuyến này tương đối đơn giản và hiệu quả đối với các mạng nhỏ Các giao thức AODV, DSDV, DSR là những giao thức điển hình sử dụng chiến lược định tuyến phẳng Đối với các mạng lớn, vấn đề gặp phải là lãng phí tài nguyên mạng dành cho việc xử lý và truyền các gói tin quảng bá thông tin định tuyến Chiến lược định tuyến phân cấp được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề này

Trong chiến lược định tuyến phân cấp, các nút mạng được tổ chức một cách link động thành các vùng Mỗi vùng lại có thể chia tiếp thành các vùng con theo kiểu cây phân cấp Cấu trúc phân cấp này nhằm duy trì tính ổn định tương đối của hình trạng mạng Sự di chuyển của thay đổi trạng thái của một nút mạng chỉ tác động trong phạm vi của vùng quản lý nó Chỉ có thông tin điều khiển cấp cao mới được truyền giữa các vùng để giảm tải định tuyến trong mạng Mỗi nút mạng sẽ có thông tin đầy đủ về các nút mạng khác trong cùng vùng với nó bằng cách sử dụng kỹ thuật định tuyến tìm đường trước Nếu nút đích và nút nguồn của một yêu cầu truyền dữ liệu thuộc hai vùng khác nhau,

kỹ thuật định tuyến liên vùng theo yêu cầu sẽ được sử dụng Định tuyến liên vùng thường hoạt động theo cơ chế định tuyến theo yêu cầu hoặc cơ chế kết hợp giữa định tuyến tìm đường trước và định tuyến theo yêu cầu Các giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến phân cấp là HSR và CGSR

❖ Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường

Đối với các giao thức định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường tối ưu theo độ đo định tuyến của chúng được cài đặt vào bảng định tuyến sau mỗi tiến trình tìm đường mặc dù chúng có thể nhận được thông tin về nhiều con đường tới cùng một đích trong cùng một tiến trình tìm đường Tại mỗi nút

mạng, các gói tin dữ liệu sẽ được chuyển tiếp theo con đường thích hợp có trong bảng định tuyến Khi một liên kết trên con đường đó bị lỗi, nút mạng này phải khởi tạo lại tiến trình tìm đường

Để tiết kiệm tài nguyên hệ thống mạng trong các tiến trình tìm đường, các giao thức định tuyến đa đường cho phép tìm và cài đặt nhiều hơn một con đường không giao nhau tới cùng một đích vào bảng định tuyến của chúng Tại một nút, khi có yêu cầu chuyển tiếp dữ liệu tới nút đích, con đường tốt nhất sẽ được sử dụng và những con đường còn lại sẽ đóng vai trò là đường dự phòng Khi đường chính bị lỗi, các đường dự phòng sẽ được sử dụng để chuyển tiếp các gói tin dữ liệu nếu chúng vẫn trong trạng thái còn hoạt động được Thêm vào đó, nếu cơ chế cân bằng tải được sử dụng, có thể phân lưu lượng dữ liệu cần truyền thành nhiều luồng được truyền song song trên các con đường tới cùng một đích

❖ Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện

Với các giao thức định tuyến trên cơ sở trạng thái liên kết (link state), để đảm bảo thông tin về trạng thái của các liên kết và hình trạng mạng được cập nhật kịp thời, thông tin định tuyến cần được quảng bá tới các nút mạng Trên

cơ sở cách thức quảng bá thông tin định tuyến, ta có thể phân loại các chiến lược định tuyến thành hai nhóm là định tuyến cập nhật định kỳ và định tuyến cập nhật theo sự kiện Chiến lược định tuyến theo chu kỳ sẽ duy trì độ ổn định của mạng và quan trọng nhất là cho phép các nút mạng học được thông tin về hình trạng và trạng thái của toàn mạng Tuy nhiên, nếu sử dụng chu kỳ dài để cập nhật thông tin định tuyến, các nút mạng có thể chứa các thông tin định tuyến đã cũ và không chính xác Ngược lại, nếu chu kỳ cập nhật thông tin định tuyến là quá ngắn, sẽ có quá nhiều gói tin định tuyến được sinh ra và quảng bá trong mạng gây ra sự lãng phí về tài nguyên mạng

Đối với chiến lược định tuyến theo sự kiện, khi có một sự kiện diễn ra trong mạng, những nút mạng chịu tác động trực tiếp của các sự kiện này mới quảng bá các gói tin cập nhật thông tin định tuyến Vì vậy, thông tin về những thay đổi của trạng thái mạng sẽ nhanh chóng được cập nhật tới các nút mạng Tuy nhiên, khi topo mạng thay đổi với tốc độ nhanh, sẽ có rất nhiều các gói tin quảng bá cập nhật định tuyến được sinh ra làm lãng phí băng thông mạng và biến động đối với các con đường truyền dữ liệu

❖ Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán Trong chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung, mọi nút trong mạng sẽ duy trì thông tin đầy đủ về toàn bộ hình trạng mạng để có thể tự thực hiện các thuật toán tìm đường khi cần thiết Các giao thức định tuyến sử dụng chiến lược định tuyến này còn được gọi là các giao thức định tuyến kiểu trạng thái đường liên kết Giao thức OLSR là một giao thức định tuyến kiểu trạng thái đường liên kết tiêu biểu

Trong chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán phân tán, mọi nút mạng chỉ duy trì thông tin cục bộ về hình trạng mạng Khi có nhu cầu tìm đường, nhiều nút mạng sẽ cùng tham gia vào tiến trình tìm đường Chiến lược định tuyến này còn được gọi là định tuyến kiểu véc tơ khoảng cách AODV và DSDV là các giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến này

❖ Định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu

Kiểu định tuyến tìm đường trước còn được gọi là “định tuyến kích hoạt trước” hay “định tuyến điều khiển dạng bảng” Đối với kiểu định tuyến này, các con đường tới mọi đích được tìm ra trước khi có nhu cầu truyền dữ liệu tại mọi nút mạng Trạng thái của các liên kết được lưu trữ và cập nhật định kỳ trong bảng định tuyến để phục vụ cho thuật toán tìm đường tại mỗi nút mạng

Ưu điểm lớn nhất của kỹ thuật định tuyến này là khi có yêu cầu truyền dữ liệu,

con đường truyền dữ liệu đã sẵn sàng tại các nút mạng và do đó không có độ trễ từ khi có yêu cầu truyền dữ liệu tới lúc tìm ra con đường để truyền dữ liệu Tuy nhiên các giao thức thuộc nhóm này cũng có nhược điểm là chúng tính toán và tìm ra những con đường tới mọi đích nên có thể có một số con đường

sẽ không bao giờ được sử dụng và kỹ thuật quảng bá bảng định tuyến định kỳ

sẽ chiếm dụng băng thông mạng nhiều khi trạng thái các liên kết và hình trạng mạng thay đổi với tốc độ nhanh Có thể kể đến một số giao thức định tuyến tiêu biểu thuộc nhóm này là giao thức DSDV và giao thức WRP

Đối với các giao thức định tuyến tìm đường theo yêu cầu, chỉ khi có nhu cầu sử dụng đường truyền dữ liệu, các nút liên quan mới khởi tạo tiến trình tìm đường và trao đổi thông tin định tuyến Phương pháp này có ưu điểm là tiết kiệm băng thông mạng dành cho tải định tuyến nhưng cũng có nhược điểm là quá trình tìm kiếm tuyến đường có thể gây ra một độ trễ truyền tin đáng kể Một số giao thức tiêu biểu đã được đề xuất thuộc nhóm này là DSR, AODV và TORA

❖ Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng

Có một vài giao thức định tuyến đưa thông tin về toàn bộ con đường vào trong header của các gói tin dữ liệu để các nút trung gian có thể chuyển tiếp những gói tin này theo các thông tin định tuyến mà nó đọc được trong phần header Chiến lược định tuyến này được gọi là định tuyến nguồn Ưu điểm của chiến lược định tuyến này là các nút trung gian không cần duy trì thông tin định tuyến cập nhật để tìm đường cho các gói tin chúng chuyển tiếp vì chính trong các gói tin dữ liệu đã chứa thông tin phục vụ cho các quyết định định tuyến Tuy nhiên, chiến lược này lại có nhược điểm là làm tăng kích thước của các gói tin dữ liệu, đặc biệt với các con đường dài và các mạng có kích thước lớn dẫn

đến việc lãng phí băng thông của mạng ad hoc Giao thức DSR là một trong những giao thức định tuyến nguồn tiêu biểu

Trong chiến lược định tuyến từng chặng, con đường tới một nút đích được phân bố trong các “chặng kế tiếp” của các nút thuộc con đường này Khi một nút nhận được một gói tin cần truyền tới một đích xác định, nó sẽ chuyển tiếp gói tin này tới chặng kế tiếp tương ứng trên con đường Vì mỗi nút mạng không

có thông tin đầy đủ về toàn bộ các liên kết trong mạng nên thuật toán định tuyến của các giao thức sử dụng chiến lược định tuyến này phải đảm bảo không chọn các con đường gây ra định tuyến lặp Giao thức AODV là một trong những giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến từng chặng

Trong số các phương pháp phân loại các chiến lược định tuyến đã được trình bày ở trên, phương pháp phân loại theo tiêu chí thời điểm định tuyến bao gồm hai chiến lược là định tuyến tìm đường trước và định tuyến tìm đường theo yêu cầu được sử dụng rất rộng rãi Với các giao thức sử dụng chiến lược định tuyến tìm đường trước kết hợp với cơ chế điều khiển dạng bảng, đường truyền

dữ liệu giữa mọi cặp nút nguồn, đích trong mạng sẽ được khám phá trước khi

có yêu cầu truyền dữ liệu Tuy nhiên, do sự thay đổi ngẫu nhiên với tần suất lớn của các nút mạng trong mạng ad hoc di động nên chiến lược định tuyến này chỉ phù hợp với các mô hình mạng ad hoc di động tương đối tĩnh, sự thay đổi

về topo mạng diễn ra không nhiều Thêm vào đó, việc khám phá tất cả các đường đi giữa các cặp nút nguồn-đích bất kỳ trong mạng là không cần thiết và lãng phí vì có những con đường sẽ không được sử dụng

1.3 Định tuyến đa đường và định tuyến QoS trong mạng ad hoc di động

1.3.1 Giao thức định tuyến đa đường AOMDV

Giao thức định tuyến AOMDV [3] được phát triển từ giao thức định tuyến AODV Nó kế thừa nhiều đặc tính của giao thức AODV như: định tuyến theo

yêu cầu, đa chặng và sử dụng cơ chế cập nhật theo sự kiện Sự khác biệt lớn nhất của hai giao thức này chính là số lượng đường được tìm thấy sau mỗi tiến trình tìm đường Trong khi giao thức AODV chỉ tìm duy nhất một đường thì giao thức AOMDV cho phép tìm nhiều hơn một đường cài đặt vào bảng định tuyến

Để lưu trữ nhiều đường tới cùng một đích trong bảng định tuyến tại mỗi

nút, mỗi entry trong bảng định tuyến được bổ sung trường advertised hop count chứa số chặng đã quảng bá và trường route list chứa danh sách các đường Mỗi entry trong một route list gồm ba trường con là: (1) next_hop biểu diễn địa chỉ chặng kế tiếp sau nút nguồn; (2) last_hop biểu diễn địa chỉ chặng cuối cùng trước nút đích và (3) hop count chứa số chặng của đường

Cũng giống như giao thức AODV, trong giao thức AOMDV, một nút chỉ gửi gói tìm đường RREQ khi có yêu cầu về đường truyền dữ liệu tới một đích nào đó Các gói RREQ được truyền kiểu broadcast từ nút nguồn tới nút đích theo nhiều đường khác nhau sẽ hình thành nên nhiều đường nghịch hướng tới nút nguồn tại mỗi nút trung gian hoặc tại nút đích Sau đó, các gói RREP sẽ được truyền theo các đường nghịch này quay trở lại nút nguồn hình thành lên các đường thuận hướng tới nút đích tại mỗi nút trung gian hoặc nút nguồn Với mỗi đích, chỉ có một đường có hop count nhỏ nhất được sử dụng để chuyển tiếp

dữ liệu, các đường còn lại sẽ đóng vai trò là đường dự phòng và được sử dụng khi đường chính bị lỗi

Đặc điểm quan trọng nhất của giao thức AOMDV chính là khả năng tìm đường nhiều đường không giao nhau (disjoint) và không lặp tới cùng một đích Giao thức AOMDV hỗ trợ cơ chế tìm kiếm và sử dụng cả hai loại đường không

giao nhau là đường không giao nhau theo nút (node disjoint) và đường không giao nhau theo liên kết (link disjoint) Với một cặp nút nguồn-đích, hai đường

được định nghĩa là không giao nhau theo nút / liên kết nếu không tồn tại một nút / liên kết trung gian nào thuộc về cả hai đường

Để đảm bảo cơ chế tránh định tuyến lặp trên các đường không giao nhau, với cùng một số thứ tự đích, giao thức AOMDV sử dụng hai quy tắc sau: (1)

Quy tắc quảng bá đường: Không quảng bá một đường ngắn hơn những đường

đã quảng bá; (2) Quy tắc chấp nhận đường: Không chấp nhận một đường dài

hơn những đường đã quảng bá

Để triển khai các quy tắc này, trong mỗi gói tin điều khiển RREQ và RREP cũng như trong mỗi entry của bảng định tuyến, giao thức AOMDV đều bổ sung

trường advertised hop count để biểu diễn đường dài nhất đã quảng bá

Kết quả của việc so sánh, đánh giá hiệu năng giữa giao thức AOMDV và giao thức AODV cho thấy, giao thức AOMDV đạt được hiệu năng tốt hơn giao thức AODV về tỷ lệ mất gói, tần suất gọi thủ tục tìm đường, thời gian tìm đường, trễ truyền gói tin trung bình và tải định tuyến

1.3.2 Tích hợp QoS vào giao thức định tuyến đa đường AOMDV

Mặc dù AOMDV [3] đã là giao thức được cải tiến từ giao thức AODV nhưng vì đây là một trong giao thức định tuyến đa đường điển hình nên đã có một số cải tiến giao thức AOMDV được đề xuất [5]

Giao thức BSAOMDV được cải tiến từ giao thức AOMDV trên cơ sở sử dụng cách khai thác thông tin định tuyến liên tầng để ước lượng độ bền vững

và độ nhạy cảm với trễ của các con đường Các giá trị này sau đó được sử dụng

để chọn đường theo yêu cầu QoS của các luồng dữ liệu Đánh giá hiệu năng của hai giao thức được thực hiện trên NS2 cho thấy giao thức BSAOMDV có

tỷ lệ truyền gói thành công và thông lượng cao hơn giao thức AOMDV

Kết quả nghiên cứu được đề xuất trong cải tiến giao thức AOMDV thành giao thức EAOMDV Giao thức này sử dụng cách khai thác thông tin định tuyến liên tầng để lấy thông tin về độ dài hàng đợi tại tầng MAC và sử dụng thông tin này làm cơ sở để chọn đường phù hợp với yêu cầu QoS của dữ liệu cần chuyển tiếp Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức được cải tiến có tỷ lệ mất gói nhỏ hơn so với giao thức AOMDV

Đề xuất trong cải tiến giao thức AOMDV nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng pin cho các nút mạng và tăng thông lượng chuyển tiếp dữ liệu Ý tưởng chính của giao thức E-AOMDV được đề xuất là lấy thông tin về năng lượng pin còn lại của các nút mạng, kết hợp với độ đo số chặng và kỹ thuật cân bằng tải khi truyền dữ liệu Kết quả đánh giá hiệu năng cho thấy thời gian hoạt động của các nút mạng đã được cải thiện khi áp dụng giao thức E-AOMDV thay cho giao thức AOMDV

Đề xuất trong sử dụng chiến lược tiết kiệm năng lượng có tên gọi là CMMBCR để cải tiến cơ chế định tuyến của giao thức AOMDV Khoảng thời gian ngừng làm việc của mỗi nút mạng được phân chia theo ba trạng thái khác nhau Khi nút mạng có thời gian ngừng làm việc vượt qua ngưỡng, nó sẽ được chuyển sang trạng thái ngủ để tiết kiệm năng lượng pin Kết quả mô phỏng trên NS2 cho thấy giao thức AOMDV sử dụng chiến lược tiết kiệm năng lượng được đề xuất có tỷ lệ truyền gói thành công cao hơn và độ tiêu hao năng lượng nhỏ hơn so với giao thức AOMDV nguyên thuỷ

Một cách tiếp cận mới để cải tiến độ bền vững của giao thức AOMDV được đề xuất trong trên cơ sở hai phương pháp: (1) ghi lại một số lượng đường tại các nút trung gian trong tiến trình tìm đường để phục vụ cho việc tìm đường cục bộ thay thế khi liên kết bị đứt; (2) sử dụng cách khai thác thông tin định tuyến liên tầng để lấy thông tin về tỷ lệ lỗi bit của các liên kết phục vụ cho việc

chọn đường trong tiến trình định tuyến Kết quả của cải tiến đã được kiểm nghiệm với các điều kiện thực tế cho thấy giao thức AOMDV được cải tiến có hiệu năng tốt hơn so với giao thức AOMDV

Đối với một số đề xuất cải tiến giao thức AOMDV đã trình bày ở trên, có những cải tiến không hướng tới mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng Để hướng tới mục tiêu này, việc phân lớp các lưu lượng dữ liệu của tầng Ứng dụng theo yêu cầu QoS cần phải được thực hiện; các thông tin được khai thác từ tầng MAC để phục vụ cho cơ chế định tuyến cũng phải thực sự phù hợp với các thông số QoS như độ trễ, tỷ lệ mất gói, độ biến đổi trễ và băng thông

Vì vậy, nghiên cứu trong giao thức QCLR [5] để xây dựng một cơ chế định tuyến theo yêu cầu QoS của các luồng lưu lượng trên cơ sở dự đoán chất lượng các liên kết tại tầng MAC được ước lượng theo các thông số QoS là nội dung nghiên cứu trọng tâm trong Chương 2 của luận văn này

1.4 Tổng kết Chương 1

Mạng ad hoc di động có những khác biệt rõ ràng so với mạng không dây truyền thống thể hiện ở cấu trúc động, chất lượng liên kết và năng lượng pin của các nút mạng hạn chế, độ bảo mật không cao về mặt vật lý Mạng ad hoc

di động đã có nhiều ứng dụng trong đời sống, kinh tế, xã hội của con người

Do các tính chất khác biệt của mạng ad hoc di động so với mạng truyền thống, có nhiều thách thức cần được giải quyết từ các nhà nghiên cứu và triển khai công nghệ mạng này Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức của mạng ad hoc di động, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần đảm bảo được yêu cầu tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến

đa chặng, đáp ứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp Các giao thức định tuyến có thể sử dụng một trong nhiều chiến lược định tuyến khác nhau Các chiến lược định tuyến đối lập nhau được phân chia theo

các tiêu chí khác nhau bao gồm: định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu, định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện, định tuyến phẳng

và định tuyến phân cấp, định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng, định tuyến tập trung và định tuyến phân tán, định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường

AOMDV là giao thức định tuyến đa đường được phát triển từ giao thức AODV cung cấp cơ chế tìm nhiều đường không giao nhau tới cùng một đích

Đã có những đề xuất cải tiến giao thức AOMDV theo hướng khai thác thông tin định tuyến liên tầng nhằm hỗ trợ yêu cầu QoS của dữ liệu Tuy nhiên, trong những cải tiến này, việc phân lớp các lưu lượng dữ liệu của tầng Ứng dụng theo yêu cầu QoS theo chuẩn ITU-T G.1010 vẫn chưa được thực hiện; các thông tin được khai thác từ tầng MAC để phục vụ cho cơ chế định tuyến vẫn chưa thực

sự phù hợp với các thông số QoS như độ trễ, tỷ lệ mất gói, độ biến đổi trễ và băng thông Điều này dẫn đến mức độ hỗ trợ của thuật toán định tuyến theo yêu cầu QoS chưa thực sự hiệu quả Ý tưởng cải tiến giao thức AOMDV trên cơ sở xây dựng trọng số QoS cho các lớp dữ liệu trong [5] là nội dung nghiên cứu trong chương tiếp theo của luận văn