Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả cơ chế định tuyến đa đường có cân bằng tải lcmr trong mạng không dây phi cấu trúc

Do phạm vi phát sóng không dây của các thiết bị di động bị hạn chế nên truyền thông giữa các nút mạng trong mạng không dây phi cấu trúc là truyền thông đa chặng.. Để có thể truyền các gó

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Lê Thị Thùy

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG CÓ CÂN BẰNG TẢI LCMR TRONG

MẠNG KHÔNG DÂY PHI CẤU TRÚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2023

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Lê Thị Thùy

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG CÓ CÂN BẰNG TẢI LCMR TRONG MẠNG KHÔNG DÂY PHI CẤU TRÚC

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

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, em đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Khoa học máy tính Để có được kết quả này, em xin bày

tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới:

- TS Đỗ Đình Cường là cán bộ hướng dẫn khoa học đã luôn tận tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong suốt quá trình làm luận văn

- Các cán bộ, giảng viên Khoa Công nghệ thông tin và Phòng Đào tạo cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong trường Trường Đại học CNTT &

TT - ĐHTN đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình em thực hiện đề tài luận văn này

Bên cạnh đó sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ

và tạo điều kiện tốt nhất để em có thể tập trung nghiên cứu hoàn thành luận văn

Do về mặt kiến thức và thời gian còn hạn chế, luận văn còn nhiều khiếm khuyết Tôi mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và mọi người để luận văn hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2023

Học viên

Lê Thị Thùy

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 MẠNG KHÔNG DÂY PHI CẤU TRÚC VÀ VẤN ĐỀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG 7

1.1 Tổng quan về mạng không dây phi cấu trúc 7

1.1.1 Khái niệm mạng không dây phi cấu trúc 7

1.1.2 Đặc điểm của mạng không dây phi cấu trúc 8

1.1.3 Ứng dụng của mạng không dây phi cấu trúc 10

1.2 Vấn đề định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc 11

1.2.1 Phân loại các chiến lược định tuyến 12

1.2.2 Chiến lược định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu 12 1.2.3 Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 14

1.2.4 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp 15

1.2.5 Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán 17 1.2.6 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng 18

1.2.7 Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường 20

1.3 Vấn đề cân bằng tải trong định tuyến đa đường 21

1.4 Một số kỹ thuật định tuyến đa đường và cân bằng tải 24

1.5 Tổng kết Chương 1 27

CHƯƠNG 2 CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG CÓ CÂN BẰNG TẢI TRONG GIAO THỨC LCMR 28

2.1 Ý tưởng thiết kế của giao thức LCMR 28

2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức LCMR 29

2.2.1 Mô tả cơ chế hoạt động 29

2.2.2 Các thuật toán của LCMR 31

2.3 Hiệu năng theo lý thuyết của giao thức LCMR 34

2.4 Tổng kết Chương 2 41

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LCMR 43

3.1 Kịch bản mô phỏng và các độ đo đánh giá hiệu năng 43

3.2 Kết quả mô phỏng với một cặp nút nguồn-đích 45

3.2.1 Thời gian định tuyến một gói tin 45

3.2.2 Số gói tin được gửi từ nút nguồn 46

3.2.3 Thời gian định tuyến dữ liệu theo lý thuyết 49

3.2.3 Thời gian định tuyến dữ liệu của mô phỏng 51

3.3 Kết quả mô phỏng với nhiều cặp nút nguồn-đích 52

3.3.1 Tác động của số đường tới thời gian định tuyến 52

3.3.2 Tác động của số gói dữ liệu tới thời gian định tuyến 60

3.4 Đánh giá kết quả 63

3.5 Tổng kết Chương 3 64

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

1

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa của mạng không dây phi cấu trúc 8

Hình 1.2 Minh hoạ đường của chiến lược định tuyến phẳng 16

Hình 1.3 Minh hoạ đường theo chiến lược định tuyến phân cấp 17

Hình 1.4 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến nguồn 19

Hình 1.5 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến từng chặng 20

Hình 1.6 Minh hoạ đa đường giữa một cặp nút nguồn-đích 23

Hình 3.1 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 10.000 gói dữ liệu 54

Hình 3.2 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 8.000 gói dữ liệu 55

Hình 3.3 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 6.000 gói dữ liệu 57

Hình 3.4 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 4.000 gói dữ liệu 58

Hình 3.5 Tác động của số lượng đường tới thời gian định tuyến 2.000 gói dữ liệu 60

Hình 3.6 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 5 đường 61

Hình 3.7 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 4 đường 61

Hình 3.8 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 3 đường 62

Hình 3.9 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 2 đường 62

Hình 3.10 Tác động của số gói tin tới thời gian định tuyến qua 1 đường 63

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại các chiến lược định tuyến của mạng MANET 12 Bảng 3.1 Giá trị của các tham số mô phỏng 43 Bảng 3.2 Thời gian định tuyến một gói tin qua các đường tách biệt theo nút

45

Bảng 3.3 Thời gian định tuyến một gói tin qua các đường có chung liên kết46 Bảng 3.4 Số gói tin gửi từ nút nguồn qua các đường tách biệt theo nút 47 Bảng 3.5 Số gói tin gửi từ nút nguồn qua các đường có chung liên kết 48 Bảng 3.6 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu qua các đường tách biệt theo nút

50

Bảng 3.7 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu qua các đường có chung liên kết

50 Bảng 3.8 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu của mô phỏng qua các đường tách

biệt theo nút 51 Bảng 3.9 Tổng thời gian định tuyến dữ liệu của mô phỏng qua các đường có chung liên kết 51

Bảng 3.10 Thời gian yêu cầu cho 10.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 53 Bảng 3.11 Thời gian yêu cầu cho 10.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 53

Bảng 3.12 Thời gian yêu cầu cho 8.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 54 Bảng 3.13 Thời gian yêu cầu cho 8.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 55 Bảng 3.14 Thời gian yêu cầu cho 6.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 56 Bảng 3.15 Thời gian yêu cầu cho 6.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 56 Bảng 3.16 Thời gian yêu cầu cho 4.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 58 Bảng 3.17 Thời gian yêu cầu cho 4.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 58 Bảng 3.16 Thời gian yêu cầu cho 2.000 gói với mạng di động ngẫu nhiên 59 Bảng 3.17 Thời gian yêu cầu cho 2.000 gói với mô hình mạng dạng lưới 59

3

MỞ ĐẦU

Mạng không dây phi cấu trúc [1] là mạng được hình thành từ kết nối giữa các nút mạng không thông qua các trạm truy cập cơ sở cố định Ngày nay, mạng không dây phi cấu trúc đã được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, kinh tế, xã hội như mạng giao thông, mạng cảm biến, mạng cứu trợ, mạng cảnh báo thiên tai, … Do phạm vi phát sóng không dây của các thiết

bị di động bị hạn chế nên truyền thông giữa các nút mạng trong mạng không dây phi cấu trúc là truyền thông đa chặng Dữ liệu cần truyền từ nút nguồn sẽ được chuyển tiếp qua các nút trung gian tới nút đích Vì vậy, một nút mạng vừa

là một thiết bị đầu cuối, vừa có thể là một thiết bị định tuyến

Để có thể truyền các gói tin dữ liệu từ nguồn tới đích, mỗi nút mạng trung gian cần xác định đường đi tới nút đích bằng một giao thức định tuyến Tuy nhiên, bài toán định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc rõ ràng có nhiều điểm khác biệt so với bài toán định tuyến trong mạng truyền thống do tính chất

di động của các nút mạng và thiếu sự hỗ trợ của các trạm truy cập cơ sở cố định

Có thể phân chia các giao thức định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc theo hai nhóm là định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường theo tiêu chí

số lượng đường có thể khám phá sau mỗi tiến trình định tuyến

Giao thức định tuyến AODV [2] là một trong những giao thức phổ biến nhất

và được sử dụng rộng rãi trong MANETs Tuy nhiên AODV đã bộc lộ nhiều nhược điểm khi chỉ cung cấp 1 đường duy nhất, ưu tiên chọn đường ngắn nhất theo số chặng nên không phù hợp với các yêu cầu chất lượng dịch vụ của ứng dụng, không

hỗ trợ truyền dữ liệu song song có cân bằng tải, … Trong thời gian qua, một số giao thức định tuyến [3 - 4] đã được đề xuất trên cơ sở ước lượng thời gian định tuyến làm độ đo định tuyến thay vì độ đo số chặng như trong giao thức AODV Các giao thức này sẽ chọn đường có độ đo thời gian

định tuyến tối thiểu trong tiến trình khám phá đường Những giao thức định tuyến như vậy có tính đến độ trễ của liên kết dựa trên hiệu suất của kênh truyền cũng như độ trễ hàng đợi do vấn đề tắc nghẽn tại các nút trung gian

Do chỉ tìm kiếm duy nhất một con đường sau mỗi tiến trình khám phá đường nên các giao thức định tuyến đơn đường cũng chỉ sử dụng một đường được coi là tốt nhất để truyền dữ liệu 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 Ngoài ra, các gói dữ liệu phải tuần

tự truyền trên con đường đã tìm được mà không có hỗ trợ về cơ chế truyền song song mặc dù trên thực tế có thể tồn tại nhiều hơn một đường từ nguồn tới đích

Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các kỹ thuật định tuyến đa đường được triển khai giao thức định tuyến [5] Các giao thức định tuyến đa đường này hoạt động dựa trên cơ chế tìm nhiều đường giữa một cặp nút nguồn đích cho trước, sau đó phân phối tải dữ liệu của các gói từ nguồn đến đích theo tất cả các đường con đường tìm được Ngoài việc giảm thời gian định tuyến tất cả các gói tin thông qua nhiều con đường, một ưu điểm khác của định tuyến đa đường là làm tăng độ tin cậy của trong truyền thông

Giao thức FMLB [6] (Fibonacci sequence based Multipath Load Balancing) là một giao thức định tuyến đa đường hoạt động theo cơ chế phân phối tải dữ liệu trên cơ sở chuỗi Fibonacci để cân bằng tải dữ liệu trên nhiều đường khác nhau

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu một kỹ thuật định tuyến hiệu quả trên cơ sở định tuyến đa đường có cân bằng tải được triển khai trong một giao

5

thức định tuyến mới gọi là LCMR [7] sử dụng trong mạng MANET Các vấn đề được nghiên cứu bao gồm: Cơ chế tìm đường cho phép tìm nhiều đường giữa một cặp nguồn-đích; kỹ thuật ước lượng thời gian định tuyến theo mỗi con đường; chiến lược cân bằng tải dữ liệu trên các đường để giảm thiểu thời gian định tuyến Việc so sánh đánh giá hiệu năng định tuyến của các kỹ thuật và chiến lược được

đề xuất trong giao thức LCMR được thực hiện thông qua việc phân tích lý thuyết

và mô phỏng, đánh giá hiệu năng giữa giao thức LCMR với các giao thức cùng lớp đã được đề xuất trước đó là FMLB và MAODV

Luận văn có cấu trúc như sau:

Chương 1: Mạng không dây phi cấu trúc và vấn đề định tuyến đa đường

- Giới thiệu về mạng không dây phi cấu trúc

- Trình bày các khái niệm và thuật ngữ cơ bản trong mạng không dây phi cấu trúc

- Đặc điểm và thách thức trong vấn đề định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc

Chương 2: Cơ chế định tuyến đa đường có cân bằng tải trong giao thức LCMR

- Mô hình tổ chức của giao thức LCMR

- Các thuật toán định tuyến trong giao thức LCMR và đánh giá độ phức tạp của thuật toán

Chương 3: Cài đặt, mô phỏng, so sánh và đánh giá hiệu quả của giao thức LCMR

- Mô tả quá trình cài đặt giao thức và mô phỏng mạng để đánh giá hiệu năng

- So sánh hiệu quả của giao thức LCMR với 4 giao thức định tuyến đa đường khác (FLMBRT, FLMBHC, MAODVRT và MAODVHC)

- Trình bày kết quả đánh giá và phân tích hiệu năng của giao thức LCMR dựa trên mô phỏng

Phần kết luận:

- Tổng kết lại nội dung và kết quả của luận văn

- Đưa ra những hướng phát triển tiếp theo cho đề tài

7

CHƯƠNG 1 MẠNG KHÔNG DÂY PHI CẤU TRÚC VÀ VẤN ĐỀ

ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG

1.1 Tổng quan về mạng không dây phi cấu trúc

1.1.1 Khái niệm mạng không dây phi cấu trúc

Mạng không dây phi cấu trúc (Mobile Ad hoc Network) là một mạng di động không dây hoạt động mà không cần dựa vào hạ tầng mạng cố định Trong mạng này, hình trạng mạng được tạo thành bởi các nút mạng chính Mạng không dây phi cấu trúc có thể được thiết lập và hoạt động một cách tự động, linh hoạt và động Chuẩn IEEE 802.11 cung cấp một chế độ "Ad hoc" cho việc thiết lập mạng đơn chặng, trong đó các nút mạng có thể truyền dữ liệu trực tiếp cho nhau Tuy nhiên, mạng không dây phi cấu trúc mở rộng khái niệm "Ad hoc" thành mạng đa chặng, trong đó các nút mạng có khả năng định tuyến và chuyển tiếp gói tin nhận được từ các nút mạng khác

Mạng không dây phi cấu trúc có thể được hiểu là một tập hợp các nút di động không dây có khả năng giao tiếp và trao đổi dữ liệu một cách linh hoạt

mà không cần sự hỗ trợ của trạm cơ sở cố định hoặc mạng có dây Mỗi nút di động có phạm vi truyền tín hiệu giới hạn, do đó, để truyền gửi các gói tin dữ liệu, chúng cần sự trợ giúp của các nút lân cận để chuyển tiếp thông tin Khi một gói tin dữ liệu từ nút nguồn cần được gửi tới một nút đích mà nút đích không nằm trong phạm vi truyền tín hiệu của nút nguồn, cần có sự hỗ trợ của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích Để thực hiện công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp để xác định con đường tối ưu để chuyển tiếp gói tin dữ liệu trong mạng

Hình 1.1 Minh họa của mạng không dây phi cấu trúc

Hình 1.1 trong mạng không dây phi cấu trúc thể hiện một ví dụ cụ thể về cách các nút trong mạng được kết nối và trao đổi thông tin Trong mạng này, các nút có thể di chuyển trong khi đang truyền dữ liệu, đồng thời mạng phải đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu liên tục trong một môi trường mà hình trạng mạng có thể thay đổi liên tục

Để xử lý sự thay đổi này, các nút trong mạng phải có cơ chế tự tổ chức để thiết lập và duy trì các đường truyền dữ liệu mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài Mỗi nút trong mạng có thể đóng vai trò là một nút đầu cuối, chạy các chương trình ứng dụng của người sử dụng và truyền nhận dữ liệu, hoặc đóng vai trò là một bộ định tuyến, chuyển tiếp các gói tin giữa các nút mạng khác

Mô hình này cho phép mạng không dây phi cấu trúc tự tổ chức và tự duy trì các kết nối dữ liệu giữa các nút mạng Mỗi nút có khả năng tự quyết định vai trò của mình và tham gia vào quá trình truyền thông dữ liệu, tạo ra một môi trường linh hoạt và tự động trong mạng không dây phi cấu trúc

1.1.2 Đặc điểm của mạng không dây phi cấu trúc

Mạng không dây phi cấu trúc có những đặc điểm đáng chú ý sau đây:

9

- Cấu trúc động: Do tính di động và di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng, cấu trúc của mạng không dây phi cấu trúc thường thay đổi một cách ngẫu nhiên

và không thể dự đoán trước Trong quá trình thay đổi này, mạng có thể

thêm hoặc mất kết nối giữa các nút, gây ảnh hưởng đến khả năng truyền dữ liệu và định tuyến trong mạng

- Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông hạn chế hơn so với các liên kết có dây Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng của các yếu tố như đa truy cập, suy hao tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác khiến băng thông thực tế của các liên kết không dây thường thấp hơn đáng kể so với tốc độ lý thuyết của môi trường truyền không dây

- Tài nguyên hạn chế của nút mạng: Mỗi nút di động trong mạng không dây phi cấu trúc có tài nguyên hạn chế, bao gồm tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin Các thiết bị trong mạng này thường có khả năng

xử lý và lưu trữ dữ liệu hạn chế so với máy tính trong mạng có dây hoặc không dây truyền thống

- Độ bảo mật thấp ở mức vật lý: Mạng không dây di động thường gặp nhiều vấn đề về bảo mật hơn mạng có dây Các vấn đề an ninh vật lý như nghe

lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ dễ dàng triển khai hơn trong mạng không dây phi cấu trúc Điều này đặt ra thách thức trong việc đảm bảo an ninh

và bảo mật cho mạng này

Những đặc điểm trên đều ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng và khả năng triển khai của mạng không dây phi cấu trúc Để triển khai mạng không dây phi cấu trúc trong thực tế, các thiết kế mạng phải giải quyết các thách thức này, bao gồm 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 ứng dụng, tiết kiệm năng lượng, đảm bảo an ninh mạng và khả năng tự tổ chức của mạng

1.1.3 Ứng dụng của mạng không dây phi cấu trúc

Mạng không dây phi cấu trúc có nhiều ứng dụng đa dạng và quan trọng trong đời sống, kinh tế và xã hội Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng của mạng không dây phi cấu trúc:

1 Thương mại: Trong các cuộc họp, hội thảo hoặc sự kiện kinh doanh, mạng không dây phi cấu trúc cho phép người dùng chia sẻ dữ liệu giữa các thiết

bị di động mà không cần hạ tầng mạng cố định Các máy tính cá nhân có thể

kết nối với nhau để tạo ra một mạng tạm thời, phục vụ cho việc truyền thông

dữ liệu trong một nhóm người dùng mà không cần trung tâm phát tín hiệu Kết nối Internet từ một thiết bị cũng có thể được chia sẻ đến các thiết bị khác thông qua mạng không dây phi cấu trúc

2 Quân sự: Mạng không dây phi cấu trúc đã được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự từ khi nó được phát triển Trên chiến trường, mỗi người lính hoặc phương tiện quân sự như xe tăng, máy bay, tàu chiến có thể được kết nối và trao đổi thông tin tạm thời với nhau hoặc với trạm chỉ huy thông qua mạng không dây phi cấu trúc được hình thành bởi kết nối giữa các thiết bị truyền thông không dây gắn trên các phương tiện hoặc người lính

3 Ứng dụng khẩn cấp: Trong các vùng thiên tai, thảm họa hoặc tình huống khẩn cấp, mạng không dây phi cấu trúc có thể được triển khai để cung cấp mạng truyền thông tạm thời Các phương tiện cứu hỏa, cứu thương hoặc xe cảnh sát có thể trang bị các thiết bị truyền nhận không dây để trở thành các thiết bị đầu cuối

di động trong mạng không dây phi cấu trúc Nhân viên cứu hộ cũng

có thể mang theo các thiết bị đầu cuối di động này, tạo thành mạng không dây phi cấu trúc để trao đổi thông tin và tương tác trong quá trình cứu hộ

4 Gia đình, văn phòng và giáo dục: Các thiết bị thông minh trong gia đình, điện thoại di động thông minh và máy tính của người dùng trong văn

11

phòng hoặc trong môi trường giáo dục có thể kết nối với nhau để tạo thành một mạng không dây phi cấu trúc tạm thời Điều này cho phép chia sẻ thông tin, truyền dữ liệu đa phương tiện, quản lý ngôi nhà thông minh, quản lý lớp học thông minh và các hoạt động khác mà không cần sự hỗ trợ từ hạ tầng mạng cố định

5 Giao thông và cảm biến: Trong lĩnh vực quản lý và hỗ trợ giao thông, mạng không dây phi cấu trúc có thể được triển khai để tạo ra mạng truyền thông tạm thời giữa các phương tiện giao thông Các phương tiện giao thông trở thành các nút mạng di động trong mạng không dây phi cấu trúc, cho phép trao đổi thông tin về tình trạng giao thông, hỗ trợ tìm đường tránh tắc nghẽn, quản lý các thiết bị tham gia giao thông và thực hiện các nhiệm vụ liên quan đến giao thông

6 Mạng cảm biến: Mạng không dây phi cấu trúc có thể được sử dụng để

triển khai mạng cảm biến, trong đó các nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Ví dụ, mạng cảm biến có thể được sử dụng để giám sát môi trường, theo dõi động, thực vật, quan sát tài nguyên và thực hiện nhiệm

vụ trinh thám trong quân đội

Như vậy, mạng không dây phi cấu trúc đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, mang lại sự linh hoạt và tiện ích cho các ứng dụng thực

tế và đáp ứng các yêu cầu đặc thù của từng ngành

1.2 Vấn đề định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc

Định tuyến (tìm đường) cho các gói tin trong mạng là một kỹ thuật quan trọng đối với bất kỳ một mô hình mạng nào; đặc biệt là đối với mạng không dây phi cấu trúc bởi tính phi cấu trúc và tính động của mạng Trong thời gian qua, đã

có nhiều nghiên cứu đề xuất các chiến lược định tuyến khác nhau dành cho mạng không dây phi cấu trúc Nội dung phần này sẽ trình bày một cách

tóm tắt và tổng quan về các chiến lược định tuyến phổ biến dành cho mạng không dây phi cấu trúc

1.2.1 Phân loại các chiến lược định tuyến

Có nhiều cách để phân loại các chiến lược định tuyến cho mạng MANET theo các tiêu chí khác nhau Các chiến lược định tuyến này được được liệt kê trong Bảng 1.1

Thời điểm định tuyến Định tuyến tìm đường trước và tìm

đường theo yêu cầu Phương pháp truyền thông tin định Định tuyến cập nhật định kỳ và cập

Số lượng vùng định tuyến Định tuyến phẳng và định tuyến

Bảng 1.1 Phân loại các chiến lược định tuyến của mạng MANET

1.2.2 Chiến lược định tuyến tìm đường trước và tìm đường theo yêu cầu

Kiểu định tuyến tìm đường trước (hay định tuyến kích hoạt trước) và kiểu định tuyến theo yêu cầu là hai phương pháp định tuyến phổ biến trong mạng không dây phi cấu trúc Dưới đây là mô tả chi tiết về cả hai kiểu định tuyến này:

❖

Định tuyến tìm đường trước (định tuyến kích hoạt trước, định tuyến điều khiển dạng bảng):

13

- Đặc điểm: Các con đường tới mọi đích được tìm ra trước khi có nhu cầu truyền dữ liệu tại mỗi nút mạng Bảng định tuyến được cập nhật định kỳ để lưu trữ trạng thái của các liên kết trong mạng

- Ưu điểm: Không có độ trễ từ khi có yêu cầu truyền dữ liệu tới lúc tìm

ra con đường để truyền dữ liệu Con đường truyền dữ liệu đã sẵn sàng tại các nút mạng

- Nhược điểm: Một số con đường có thể không bao giờ được sử dụng và việc quảng bá bảng định tuyến định kỳ có thể chiếm dụng băng thông mạng nhiều khi trạng thái liên kết và cấu trúc mạng thay đổi nhanh chóng Các giao thức thuộc nhóm này gồm DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) và WRP (Wireless Routing Protocol)

❖

Kiểu định tuyến theo yêu cầu:

- Đặc điểm: 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

- Ưu điểm: Tiết kiệm băng thông mạng dành cho tải định tuyến

- Nhược điểm: Quá trình tìm kiếm đường truyền dữ liệu có thể gây ra độ

trễ truyền tin đáng kể Các giao thức tiêu biểu thuộc nhóm này gồm DSR (Dynamic Source Routing), AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) và TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm)

Cả hai phương pháp định tuyến này có ưu điểm và nhược điểm riêng, và lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu và đặc thù của ứng dụng trong mạng không dây phi cấu trúc

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

Chiến lược định tuyến cập nhật định kỳ và định tuyến cập nhật theo sự kiện có những ưu điểm và nhược điểm riêng Dưới đây là sự so sánh chi tiết giữa hai chiến lược này:

❖

Định tuyến cập nhật định kỳ:

- Đặc điểm: Thông tin định tuyến được cập nhật định kỳ theo một chu

kỳ quy định trước Các gói tin cập nhật được quảng bá trong mạng để thông báo về trạng thái và hình trạng của mạng

- Ưu điểm: Duy trì độ ổn định của mạng và cho phép các nút mạng học được thông tin về toàn bộ mạng Đặc biệt hữu ích trong mạng có tốc độ biến đổi chậm và yêu cầu tính chính xác cao về thông tin định tuyến

- Nhược điểm: Nếu chu kỳ cập nhật quá dài, các nút mạng có thể chứa thông tin định tuyến đã cũ và không chính xác Nếu chu kỳ cập nhật quá ngắn,

sẽ gây ra lãng phí tài nguyên mạng do số lượng lớn gói tin định tuyến được sinh

ra và quảng bá trong mạng Các giao thức định tuyến định kỳ tiêu biểu là OSPF (Open Shortest Path First) và IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)

❖

Định tuyến cập nhật theo sự kiện:

- Đặc điểm: Thông tin định tuyến chỉ được cập nhật khi có sự kiện diễn ra trong mạng, như thay đổi trạng thái liên kết hoặc thay đổi cấu trúc mạng Chỉ

các nút mạng chịu tác động trực tiếp từ sự kiện mới quảng bá gói tin cập nhật

- Ưu điểm: Thông tin về thay đổi trạng thái mạng được cập nhật nhanh chóng tới các nút mạng Phù hợp trong mạng có tốc độ biến đổi nhanh và yêu cầu tính linh hoạt và độ trễ thấp trong cập nhật thông tin định tuyến

Sự lựa chọn giữa định tuyến cập nhật định kỳ và định tuyến cập nhật theo

sự kiện phụ thuộc vào yêu cầu và điều kiện cụ thể của mạng không dây phi cấu trúc, bao gồm tốc độ biến đổi mạng, yêu cầu chính xác và tính linh hoạt của thông tin định tuyến, và tài nguyên mạng có sẵn

1.2.4 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp

Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp là hai chiến lược định tuyến phổ biến trong mạng không dây phi cấu trúc Dưới đây là mô tả chi tiết về hai chiến lược này và ví dụ minh họa:

❖

Định tuyến phẳng:

- Đặc điểm: Mọi nút trong mạng có cùng cấp độ và chức năng định tuyến Các nút trao đổi thông tin định tuyến trực tiếp với nhau để xác định con đường truyền dữ liệu

- Ưu điểm: Đơn giản và hiệu quả trong các mạng nhỏ Các giao thức AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector), DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) và DSR (Dynamic Source Routing) là những giao thức điển hình sử dụng định tuyến phẳng

- Nhược điểm: Trong các mạng lớn, gây lãng phí tài nguyên mạng do xử

lý và truyền các gói tin quảng bá thông tin định tuyến Không phù hợp cho mạng có độ phức tạp cao và yêu cầu quản lý mạng chặt chẽ

Định tuyến phân cấp:

- Đặc điểm: Các nút mạng được tổ chức thành các vùng, mỗi vùng có thể chia thành các vùng con theo kiểu cây phân cấp Cấu trúc phân cấp này nhằm duy trì tính ổn định của mạng và giảm tải định tuyến

- Ưu điểm: Phù hợp cho mạng lớn và yêu cầu quản lý linh hoạt Sự di chuyển và thay đổi trạng thái của một nút mạng chỉ ảnh hưởng trong phạm vi vùng quản lý của nó Các thông tin điều khiển cấp cao được truyền giữa các vùng để giảm tải định tuyến trong mạng

- Nhược điểm: Tăng độ phức tạp của hệ thống và yêu cầu quản lý và cấu hình phức tạp hơn Các giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến phân cấp là HSR (Hierarchical State Routing) và CGSR (Cluster Gateway Switch Routing)

Hình 1.2 và Hình 1.3 trong tài liệu minh họa các con đường được hình thành bởi các giao thức định tuyến hoạt động theo chiến lược định tuyến phẳng

và định tuyến phân cấp

Hình 1.2 Minh hoạ đường của chiến lược định tuyến phẳng

17

Hình 1.3 Minh hoạ đường theo chiến lược định tuyến phân cấp

1.2.5 Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán

Chiến lược định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán

là hai phương pháp quan trọng trong mạng không dây phi cấu trúc Dưới đây là

mô tả chi tiết về hai chiến lược này và các giao thức định tuyến phù hợp:

❖

Kỹ thuật tính toán tập trung:

- Đặc điểm: Mọi nút trong mạng duy trì thông tin đầy đủ về hình trạng mạng và thực hiện thuật toán tìm đường khi cần thiết

- Ưu điểm: Đảm bảo tính chính xác của thông tin định tuyến và khả năng tìm đường hiệu quả Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing) là một giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng chiến lược này

- Nhược điểm: Đòi hỏi tài nguyên tính toán và băng thông để duy trì thông tin định tuyến toàn bộ mạng Không phù hợp cho mạng có quy mô lớn

và mật độ nút cao

❖

Kỹ thuật tính toán phân tán:

- Đặc điểm: Mỗi nút mạng chỉ duy trì thông tin cục bộ về hình trạng mạng và tham gia vào tiến trình tìm đường khi cần thiết

- Ưu điểm: Tiết kiệm tài nguyên tính toán và băng thông mạng Các giao thức AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) và DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector) là các giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng chiến

lược này

- Nhược điểm: Gây ra độ trễ truyền tin khi cần tìm đường Không đảm bảo tính chính xác của thông tin định tuyến khi mạng có sự biến đổi nhanh về trạng thái

Tùy thuộc vào yêu cầu và đặc điểm của mạng không dây phi cấu trúc, ta

có thể chọn chiến lược định tuyến phù hợp để đáp ứng nhu cầu truyền dữ liệu

và quản lý mạng hiệu quả

1.2.6 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng

Định tuyến nguồn (source routing) là một chiến lược định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc, trong đó thông tin về toàn bộ con đường được đưa vào trong header của các gói tin dữ liệu Các nút trung gian trong mạng có thể chuyển tiếp gói tin dựa trên thông tin định tuyến có sẵn trong header của gói tin đó

Ưu điểm của chiến lược định tuyến nguồn bao gồm:

- Không yêu cầu các nút trung gian duy trì thông tin định tuyến cập nhật, giúp giảm tải tài nguyên tính toán và băng thông mạng

- Các nút trung gian không cần thực hiện thuật toán định tuyến, chỉ cần chuyển tiếp gói tin theo thông tin định tuyến có sẵn trong header, giảm độ trễ truyền tin

Tuy nhiên, chiến lược định tuyến nguồn cũng có nhược điểm:

- Tăng kích thước của các gói tin dữ liệu do phải chứa thông tin định tuyến trong header của gói tin

Hình 1.4 minh họa cơ chế chuyển tiếp gói tin trong giao thức định tuyến nguồn, trong đó thông tin định tuyến được chứa trong header của gói tin, và các nút trung gian chỉ cần chuyển tiếp gói tin theo thông tin đã có sẵn

Hình 1.4 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến nguồn

Chiến lược định tuyến từng chặng (hop-by-hop routing) là một chiến lược định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc, trong đó con đường tới một nút đích được phân bố trong các "chặng kế tiếp" của các nút thuộc con đường đó 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

Với chiến lược định tuyến từng chặng, mỗi nút mạng chỉ có thông tin về các liên kết trực tiếp với các nút hàng xóm của nó, không có thông tin đầy đủ

về toàn bộ các liên kết trong mạng Do đó, các thuật toán định tuyến của các giao thức sử dụng chiến lược này phải đảm bảo không chọn các con đường gây

ra định tuyến lặp (loop)

Giao thức AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) là một trong những giao thức tiêu biểu sử dụng chiến lược định tuyến từng chặng Trong AODV, khi một nút cần truyền gói tin tới một đích, nó sẽ tìm đường tới đích bằng cách gửi các gói tin yêu cầu định tuyến (route request packets) tới các nút hàng xóm Các nút hàng xóm sẽ tiếp tục gửi các gói tin yêu cầu định tuyến cho đến khi đường tới đích được xác định Sau đó, một con đường được thiết lập và các nút trung gian trên con đường này sẽ biết được chặng tiếp theo để chuyển tiếp gói tin

Hình 1.5 minh họa kỹ thuật chuyển tiếp gói tin trong giao thức định tuyến từng chặng, trong đó gói tin yêu cầu định tuyến (RREQ packets) được gửi từ nút nguồn tới các nút hàng xóm, cho đến khi con đường tới đích được xác định Sau đó, gói tin dữ liệu (data packets) được chuyển tiếp qua các chặng kế tiếp trên con đường đã thiết lập

Hình 1.5 Truyền dữ liệu theo chiến lược định tuyến từng chặng

1.2.7 Định tuyến đơn đường và định tuyến đa đường

Trong chiến lược định tuyến đơn đường, chỉ có tối đa một con đường tối

ưu được cài đặt vào bảng định tuyến của mỗi nút mạng sau mỗi tiến trình tìm đường Mặc dù trong quá trình tìm đường có thể nhận được thông tin về nhiều con đường tới cùng một đích, nhưng chỉ có con đường tốt nhất được chọn và

và các con đường dự phòng khác sẽ đóng vai trò là các đường backup Trong trường hợp con đường chính gặp sự cố, các đường dự phòng sẽ được sử dụng

để chuyển tiếp gói tin dữ liệu nếu chúng vẫn còn hoạt động

Ngoài ra, khi sử dụng cơ chế cân bằng tải (load balancing), có thể phân lưu lượng dữ liệu thành nhiều luồng và truyền song song trên các con đường tới cùng một đích Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và chia đều tải trên các đường đồng thời

Tổ chức nhiều con đường và sử dụng cơ chế dự phòng và cân bằng tải trong giao thức định tuyến đa đường giúp tăng tính tin cậy và hiệu suất của mạng không dây phi cấu trúc

1.3 Vấn đề cân bằng tải trong định tuyến đa đường

Các giao thức định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc đã trải qua nhiều nghiên cứu và phát triển để đáp ứng các yêu cầu và thách thức của môi trường mạng này Giao thức AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) là một trong những giao thức định tuyến phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong mạng không dây phi cấu trúc Nó hoạt động theo chiến lược định tuyến theo yêu cầu véc tơ khoảng cách, tức là chỉ khi có yêu cầu truyền dữ liệu mới tiến hành quá trình tìm đường

Một khía cạnh quan trọng của định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc là khả năng nhận biết tắc nghẽn và thích ứng Một số nghiên cứu đã tập trung vào việc phát triển giao thức định tuyến có khả năng phát hiện và tránh

tắc nghẽn trong mạng Điều này nhằm đảm bảo rằng lưu lượng dữ liệu được chuyển tiếp trên các con đường tốt nhất và tránh gây ra hiện tượng chồng chéo

và tắc nghẽn trong mạng

Gần đây, một giao thức đã được đề xuất dựa trên việc ước tính thời gian định tuyến thay vì số chặng như trong AODV Giao thức này xem xét các đường khác nhau trong giai đoạn khám phá đường và sau đó chọn đường có thời gian định tuyến nhỏ nhất Bằng cách tính toán thời gian định tuyến dựa trên hiệu suất kênh truyền cũng như độ trễ hàng đợi do tắc nghẽn tại các nút trung gian, giao thức này có thể đánh giá độ trễ và hiệu suất của các con đường và chọn con đường tốt nhất cho truyền dữ liệu

Trong quá trình di chuyển trên một con đường, thời gian định tuyến có thể tăng lên do ảnh hưởng của các yếu tố như sự thay đổi trong môi trường và độ trễ do di chuyển của nút Việc đánh giá và định tuyến theo thời gian giúp giao thức tự động thích ứng với các thay đổi này và lựa chọn con đường tốt nhất để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy trong mạng không dây phi cấu trúc

Trong định tuyến đa đường, mục tiêu là tìm và sử dụng nhiều đường đi không giao nhau giữa một cặp nút nguồn và đích xác định Thay vì chỉ sử dụng một con đường duy nhất, tất cả các gói dữ liệu được phân phối và chuyển tiếp qua tất cả các đường đi tìm được

Một trong những ưu điểm của định tuyến đa đường là giảm thời gian định tuyến cho các gói tin thông qua việc sử dụng nhiều con đường đi Bằng cách này, mạng có thể tận dụng tối đa tài nguyên mạng và giảm thiểu độ trễ truyền thông

Độ tin cậy của một con đường được định nghĩa là xác suất nhận chính xác thông điệp được gửi theo con đường đó Khi sử dụng nhiều đường đi không giao nhau, độ tin cậy truyền thông kết hợp qua cả hai đường sẽ được tính bằng

23

công thức r 1 + r 2 - r 1 r 2 , trong đó r 1 và r 2 lần lượt là độ tin cậy của hai đường

đi đó Điều này có nghĩa là độ tin cậy truyền thông kết hợp sẽ lớn hơn độ tin cậy của từng con đường riêng lẻ

Ví dụ, nếu r1 = 0,999 và r2 = 0,9999, thì độ tin cậy kết hợp sẽ là 1 - (1 - r1)(1 - r2) = 1 - (1 - 0,999)(1 - 0,9999) = 0,9999999 Điều này cho thấy rằng độ tin cậy truyền thông kết hợp qua các đường đi độc lập sẽ cao hơn so với độ tin cậy của từng con đường riêng lẻ

Hình 1.6 Minh hoạ đa đường giữa một cặp nút nguồn-đích

Giao thức cân bằng tải đa đường Fibonacci (FMLB) [6] sử dụng chuỗi Fibonacci để phân phối tải dữ liệu trên nhiều đường đi khác nhau, nhằm cân bằng tải trong mạng Trong Hình 1.6, có ba đường đi từ nút nguồn S đến nút đích D: đường P1 qua u1, u2 và u3 với thời gian định tuyến T1, đường P2 qua

u4, u5 và u6 với thời gian định tuyến T2, và đường P3 qua u7 và u8 với thời gian định tuyến T3

Theo cơ chế hoạt động của giao thức FMLB, ba giá trị liên tiếp trong chuỗi Fibonacci (F1, F2, F3) được sử dụng để phân phối gói tin Khi có tổng cộng 4 gói tin cần được định tuyến, quy tắc phân phối sẽ là: một gói tin (F1) sẽ được định tuyến qua đường có thời gian định tuyến lớn nhất (T1), một gói tin (F2) sẽ được định tuyến qua đường có thời gian định tuyến lớn thứ hai (T2), và

hai gói tin (F3) sẽ được định tuyến qua đường có thời gian định tuyến nhỏ nhất (T3)

Do đó, tổng thời gian tối đa để định tuyến cho cả 4 gói tin sẽ là max(T1, T2, 2T3) Bằng cách này, giao thức FMLB cân bằng tải dữ liệu trên các đường đi khác nhau và ưu tiên sử dụng đường có thời gian định tuyến nhỏ nhất (T3) cho nhiều gói tin hơn để giảm độ trễ và tăng hiệu suất truyền thông trong mạng

1.4 Một số kỹ thuật định tuyến đa đường và cân bằng tải

Có một số nghiên cứu quan trọng đã được thực hiện trong lĩnh vực định tuyến đa đường trong mạng không dây phi cấu trúc Dưới đây là tóm tắt của những nghiên cứu đó [7]:

Ganjali và Keshavanian đã tiến hành một mô hình để đánh giá cân bằng tải trong định tuyến đa đường Họ chọn K đường đi ngắn nhất và phân phối tải

dữ liệu đồng đều trên các đường này

Pearlman và đồng nghiệp đã chứng minh ảnh hưởng của đường đôi đối đối với hiệu suất thời gian trễ của giao thức định tuyến đa đường APR Trong môi trường đa kênh truyền, APR giảm được đến 20% thời gian trễ cho các luồng dữ liệu lớn

Wang và đồng nghiệp đã đề xuất giao thức định tuyến đa đường kiểu MSR cho mạng ad hoc Họ sử dụng phép đo RTT để phân phối tải dữ liệu qua nhiều đường Kết quả nghiên cứu cho thấy giao thức MSR giảm tắc nghẽn và tăng khả năng chịu lỗi đường

Parissidis và đồng nghiệp đã trình bày kết quả mô phỏng về giao thức định tuyến đa đường SMR, AOMDV và AODV_Multipath Họ nhận thấy AOMDV hoạt động tốt trong mạng di động cao, AODV_Multipath tốt hơn trong mạng

Nasipuri và các đồng tác giả đã cải tiến giao thức định tuyến nguồn động DSR và chỉ ra rằng định tuyến đa đường có thể giảm tần suất các cơn bão truy vấn Họ sử dụng mô hình phân tích để xác định tần suất các cơn bão truy vấn theo các kỹ thuật khác nhau Mặc dù định tuyến đa đường tốt hơn định tuyến đơn đường, nhưng hiệu suất vượt trội của nó không nhiều trong số lượng đường

ít và đường dài Họ cũng chỉ ra rằng kỹ thuật để tất cả các nút trung gian trên đường chính có các đường thay thế tốt hơn kỹ thuật chỉ để nút nguồn có đường thay thế

Các nghiên cứu trên cung cấp cái nhìn quan trọng về định tuyến đa đường trong mạng MANET và đóng góp cho sự phát triển và cải tiến của giao thức định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc

Vấn đề định tuyến đa đường trong mạng MANET đã được nghiên cứu một cách rộng rãi trong thời gian qua Ngoài các nghiên cứu đã được đề cập ở trên, còn một số kết quả nghiên cứu khác đã được công bố Dưới đây là tóm tắt của một số kết quả nghiên cứu quan trọng

Ganjali và Keshavanian đã nghiên cứu và đề xuất một mô hình để đánh giá mức độ cân bằng tải trong định tuyến đa đường, trong đó K đường đi ngắn nhất (K xác định trước) được chọn và tải dữ liệu sau đó được phân phối đồng đều giữa các đường này

Pearlman và các cộng sự đã chứng minh tác động của đường đôi đối với hiệu suất về thời gian trễ của giao thức định tuyến đường thay thế APR trong các mạng ad-hoc Trong nhiều môi trường đa kênh truyền, APR có thể giảm 20% độ trễ đầu cuối cho các luồng dữ liệu lớn

Wang và các cộng sự đã đề xuất một giao thức định tuyến đa đường kiểu định tuyến nguồn MSR cho mạng ad hoc, đây là một giao thức mở rộng của giao thức định tuyến nguồn động DSR Dựa trên phép đo của công cụ RTT, họ

đã đề xuất một sơ đồ để phân phối tải dữ liệu qua nhiều đường Kết quả từ nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng giao thức MSR làm giảm tắc nghẽn mạng

và tăng khả năng chịu lỗi đường tốt hơn

Tác giả Parissidis và các cộng sự đã trình bày kết quả của một nghiên cứu dựa trên mô phỏng đối với ba giao thức định tuyến đa đường SMR, AOMDV và AODV_Multipath Kết quả nghiên cứu mô phỏng của họ cho thấy giao thức AOMDV đạt được hiệu suất tốt nhất trong các tình huống mạng có mức độ di động cao, trong khi giao thức AODV_Multipath có hiệu năng tốt hơn trong các tình huống mạng có tính di động thấp và mật độ nút cao Giao thức SMR hoạt động tốt nhất trong các mạng có mật độ nút thấp Tuy nhiên, khi mật độ nút tăng lên, hiệu năng của các giao thức này đều bị suy giảm

Các tác giả Pham và Perreau đã phân tích và so sánh về chi phí, khả năng phân phối lưu lượng và thông lượng kết nối các giao thức định tuyến đơn đường đối với các giao thức định tuyến đa đường theo yêu cầu có kết hợp với cơ chế cân bằng tải trong các mạng ad hoc Kết quả nghiên cứu của họ cho thấy giao thức định tuyến đa đường đòi hỏi nhiều chi phí hơn nhưng có hiệu năng tốt hơn về vấn

đề mức độ tắc nghẽn và khả năng truyền tải so với giao thức định tuyến đơn đường truyền thống, nếu đường đi có độ dài nằm trong một giới hạn nhất định Các kết quả phân tích cũng đã được củng cố thêm bằng mô phỏng

27

Tác giả Nasipuri và đồng nghiệp đã tiến hành nghiên cứu cải tiến giao thức Định tuyến nguồn động DSR và khẳng định rằng việc sử dụng cơ chế định tuyến đa đường một cách thông minh có thể giảm tần suất của các cơn bão truy vấn Họ đã xây dựng một khung mô hình phân tích để xác định tần suất tương đối của các cơn bão truy vấn dựa trên các kỹ thuật khác nhau Kết quả của mô hình này cho thấy, trong lý thuyết, định tuyến đa đường có hiệu quả đáng kể hơn so với định tuyến đơn đường, nhưng sự vượt trội về hiệu suất không đáng

kể đối với số lượng đường ít và các con đường dài Họ cũng chỉ ra rằng việc áp dụng kỹ thuật cho tất cả các nút trung gian trên đường chính với các đường thay thế sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn đáng kể so với việc chỉ áp dụng cho nút nguồn với các đường thay thế

1.5 Tổng kết Chương 1

Mạng không dây phi cấu trúc khác mạng không dây truyền thống về cấu trúc động, chất lượng liên kết và dung lượng pin hạn chế, cùng với mức độ bảo mật vật lý không cao Nó có nhiều ứng dụng trong đời sống, kinh tế và xã hội

Với những đặc điểm khác biệt đó, mạng không dây phi cấu trúc đối mặt với nhiều thách thức cần Để đáp ứng những thách thức này, giao thức định tuyến trong mạng không dây phi cấu trúc cần đảm bảo tối thiểu hóa tải điều khiển và xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, thích ứng với sự thay đổi trong topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp lại

Có nhiều chiến lược định tuyến khác nhau có thể được sử dụng trong giao thức định tuyến Các chiến lược này được phân chia dựa trên các tiêu chí khác nhau, bao gồm định tuyến tìm đường trước và theo yêu cầu, định tuyến cập nhật định kỳ và theo sự kiện, định tuyến phẳng và phân cấp, định tuyến nguồn và từng chặng, định tuyến tập trung và phân tán, định tuyến đơn đường và đa đường

CHƯƠNG 2 CƠ CHẾ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƯỜNG CÓ CÂN BẰNG TẢI

TRONG GIAO THỨC LCMR

2.1 Ý tưởng thiết kế của giao thức LCMR

Một trong các giao thức định tuyến hiệu quả trên cơ sở định tuyến đa đường

và cân bằng tải là giao thức LCMR Giao thức định tuyến LCMR được đề xuất trong [7] còn được gọi là giao thức định tuyến đa đường dựa trên bội số chung nhỏ nhất được đề xuất áp dụng trong các mạng MANET với tải lưu lượng được cân bằng qua các đường khác nhau Ý tưởng thiết kế của giao thức LCMR được mô tả như sau: Đầu tiên, thời gian định tuyến của mỗi con đường trong số các con đường giữa một cặp nút nguồn-đích cho trước sẽ được ước lượng Sau đó, các gói dữ liệu

từ nút nguồn đến nút đích đích sẽ được phân phối qua các con đường này sao cho

số gói dữ liệu được gửi qua một con đường tỷ lệ nghịch với thời gian định tuyến qua con đường đó Chiến lược phân phối này giữ cho tải dữ liệu được cân bằng qua tất cả các con đường để rút ngắn thời gian định tuyến tổng thể cho việc gửi các gói dữ liệu Theo chiến lược này, bội số chung nhỏ nhất (L) của thời gian định tuyến của qua các con đường sẽ được xác định để tìm số lượng gói dữ liệu được gửi qua một con đường Lấy giá trị

L này chia cho thời gian định tuyến qua mỗi con đường, ta sẽ nhận được số lượng gói tương đối được gửi qua con đường đó Cách làm này sẽ cân bằng được tải dữ liệu vì tất cả các gói dữ liệu có thể được gửi qua nhiều con đường với thời gian định tuyến gần như bằng nhau qua mỗi con đường

Ví dụ, giữa một nút nguồn và một nút đích, có ba con đường P1, P2 và P3 với thời gian định tuyến tương ứng là 40, 30 và 20 đơn vị thời gian Như vậy, bội số chung nhỏ nhất của 40, 30 và 20 là L=120 Ta chia 120 cho 40, 30 và 20 sẽ có được các giá trị tương ứng là 3, 4 và 6 Do đó, với mỗi bộ 3 + 4 + 6 = 13 gói dữ liệu, có 3 gói sẽ được gửi qua đường P1, 4 gói được gửi theo đường P2

29

và 6 gói được gửi theo đường P3 để thời gian định tuyến qua mỗi con đường là

120 đơn vị thời gian

Cần lưu ý rằng định nghĩa của bài toán này là tương tự như bài toán lập lịch cho N tác vụ độc lập theo hệ số đồng nhất k đã được biết đến với độ phức tạp NP Trong nghiên cứu [2], cả lý thuyết và kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng giao thức định tuyến đa đường LCMR được đề xuất thực hiện tốt hơn giao thức đa đường FMLB [13] Lý do trực quan của sự cải thiện về thời gian định tuyến của giao thức LCMR được đề xuất là kỹ thuật phân phối tải của giao thức LCMR có xét đến yếu tố thời gian định tuyến thực qua các đường khác nhau, trong khi giao thức FMLB chưa có xét đến Tỷ lệ của thời gian định tuyến thực qua các con đường khác nhau có thể khác nhiều so với tỷ lệ của các số Fibonacci tương ứng Giao thức định tuyến LCMR được đề xuất cũng hoạt động tốt hơn giao thức MAODV [8] Thay vì gửi số gói dữ liệu bằng nhau qua các đường tìm được như trong giao thức MAODV, giao thức LCMR gửi được nhiều gói

dữ liệu hơn (giả sử tất cả các gói có cùng kích thước) qua các đường có thời gian định tuyến

2.2 Cơ chế hoạt động của giao thức LCMR

2.2.1 Mô tả cơ chế hoạt động

Giao thức định tuyến đa đường có cân bằng tải LCMR hoạt động dựa trên việc khám phá các đường có thể có từ một nút nguồn đến một nút đích kèm theo thời gian định tuyến qua chúng Việc khám phá các đường có thể giữa một cặp nút nguồn-đích được thực hiện theo cách tương tự như trong giao thức định tuyến AODV với hai khác biệt chính là số bước chặng được thay thế bởi thời gian định tuyến và cơ chế khám phá nhiều đường (nếu chúng tồn tại) thay vì chỉ khám phá một đường Mặc dù cấu trúc liên kết mạng cũng như lưu lượng trong mạng có thể thay đổi trong tình huống động, quá trình khám phá tuyến

này được giả sử là sẽ hoàn thành đủ nhanh để trong quá trình khám phá tuyến này,

cả cấu trúc liên kết mạng và lưu lượng trong mạng đều không thay đổi Đầu tiên, nút nguồn phát ra một thông điệp yêu cầu tìm đường RREQ với các giá trị ID nguồn, ID đích, số thứ tự RREQ, thời gian tạo ra thông điệp RREQ và danh sách các nút trung gian đi qua Khi nhận được gói RREQ, nút đích sẽ gửi thông điệp trả lời đường RREP quay trở lại nút nguồn Sau khi nhận được thông điệp RREP, nút nguồn không chỉ xác định được đường đi mà còn xác định được cả giá trị thời gian

di chuyển của gói tin từ nút nguồn đến nút đích qua con đường đó Để đặt giới hạn cho các đường có thể có, nút nguồn chỉ đợi trong khoảng thời gian timeout tối đa

T max tính từ khi gửi đi thông điệp RREQ để nhận lại cả các thông điệp trả lời RREP từ nút đích tương ứng với số thứ tự

đã cho của thông điệp RREQ được gửi theo các đường khác nhau

Giả sử, có k con đường là P,P , ,P được phát hiện với thời gian truyền

truyền các gói tin n i qua các đường P i được đề xuất như sau: các gói dữ liệu

gian truyền n gói dữ liệu theo các k đường này được xác định là max( n i T i ) = L

Nếu tổng số gói dữ liệu được gửi là N = pn + r , 0 r n với những số

nguyên p 0 , thì các pn gói đầu tiên sẽ được gửi theo các đường P,P , ,P

12 k

với tỷ lệ n1 : n2 :: n k và r gói còn lại được gửi như sau: r

n gói theo đường P

n

2.2.2 Các thuật toán của LCMR

Để triển khai giao thức LCMR, có ba thuật toán được đề xuất bao gồm: Thuật toán tại nút nguồn (Thuật toán 1), Thuật toán tại nút trung gian (Thuật toán 2) và Thuật toán tại nút đích (Thuật toán 3)

❖

Thuật toán tại nút nguồn

Thuật toán 1: Thuật toán tại nút nguồn

Input: Nút đích DA

Output: RREQ, các gói dữ liệu

1 if SA = ID nút hiện tại then

/* Khởi tạo đường */

2 Khởi tạo đồng hồ thời gian thực T = 0;

3 Quảng bá gói RREQ chứa thông tin nút SA và DA;

4 while ( T < Tmax ) do// T max is the time-out period

5 if nhận được gói RREP then

6 Thu nhận các gói RREP và tạo danh sách đường có thông tin P i và T i ;

11 while tất cả các gói dữ liệu chưa được gửi hết do

12 Gửi gói dữ liệu và đợi một khoảng thời gian δT; // theo tỉ lệ các giá trị n i

13 if nhận được gói ACK trong khoảng thời gian δT then

14 Gửi gói dữ liệu tiếp theo;

16 Gửi lại gói dữ liệu;