65 Trang 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Ý nghĩa AODV Ad-hoc On-demand Distance Vector Giao thức định tuyến theo yêu cầu dựa trên vector khoảng cách DSDV Destination-Seq
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ CHỌN ĐƯỜNG TỐI ƯU TRONG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ENHANCED-ANT-AODV CHO MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2021 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ CHỌN ĐƯỜNG TỐI ƯU TRONG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ENHANCED-ANT-AODV CHO MẠNG MANET Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 84 80 101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀM THANH PHƯƠNG Thái Nguyên - 2021 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại trƣờng 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 đƣợc kết quả này, em xin bày tỏ sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới: TS Đàm Thanh Phƣơng là cán bộ hƣớng 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 trƣờng Trƣờng Đại học CNTT & TT - ĐHTN đã tận tình chỉ bảo, hƣớng 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 ngƣời 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 Em mong đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô và mọi ngƣời để luận văn hoàn thiện hơn Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2021 Học viên Nguyễn Anh Tuấn MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU 2 DANH MỤC HÌNH VẼ 3 MỞ ĐẦU 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 7 1.1 Tổng quan về mạng MANET 7 1.1.1 Khái niệm mạng MANET 7 1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET 8 1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET 9 1.2 Một số chiến lƣợc định tuyến trong mạng MANET 11 1.2.1 Phân loại các chiến lƣợc định tuyến .11 1.2.2 Chiến lƣợc định tuyến tìm đƣờng trƣớc và tìm đƣờng theo yêu cầu .12 1.2.3 Định tuyến cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 13 1.2.4 Định tuyến phẳng và định tuyến phân cấp .13 1.2.5 Định tuyến với kỹ thuật tính toán tập trung và tính toán phân tán .15 1.2.6 Định tuyến nguồn và định tuyến từng chặng 15 1.2.7 Định tuyến đơn đƣờng và định tuyến đa đƣờng 17 1.3 Một số nghiên cứu tối ƣu hiệu năng định tuyến trong mạng MANET 17 1.4 Tổng kết Chƣơng 1 22 CHƢƠNG 2 CƠ CHẾ CHỌN ĐƢỜNG TỐI ƢU TRONG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ENHANCED-ANT AODV 23 2.1 Bài toán chọn đƣờng tối ƣu trong mạng MANET 23 2.2 Mô tả hoạt động của giao thức .28 2.3 Các độ đo định tuyến .29 2.3.1 Độ đo “Tín hiệu sinh học” của liên kết 29 2.3.2 Độ đo cƣờng độ tín hiệu nhận (RSSM) 30 2.3.3 Độ đo tắc nghẽn (CM) 30 2.3.4 Độ đo năng lƣợng còn lại (REM) 31 2.3.5 Xác định độ đo số chặng (HCM) 32 2.4 Cấu trúc các gói tin điều khiển và bảng định tuyến .32 2.4.1 Gói yêu cầu tìm đƣờng REQ_ANT 32 2.4.2 Gói trả lời đƣờng REP_ANT 32 2.4.3 Bảng định tuyến 33 2.5 Thuật toán định tuyến 33 2.5.1 Lƣu đồ thuật toán tiến trình định tuyến 33 2.5.2 Mô tả chi tiết tiến trình định tuyến 35 2.6 Minh họa thuật toán định tuyến Enhanced-ANT-AODV 40 2.7 Tổng kết Chƣơng 2 41 CHƢƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CƠ CHẾ CHỌN ĐƢỜNG TỐI ƢU CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ENHANCED-ANT-AODV 43 3.1 Môi trƣờng mô phỏng 43 3.2 Các độ đo hiệu năng .45 3.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá 45 3.3.1 Đánh giá theo tác động của số nút mạng 45 3.3.2 Đánh giá theo tác động của tốc độ nút 52 3.3.3 Đánh giá theo tác động của lƣu lƣợng dữ liệu .58 3.4 Tổng kết Chƣơng 3 64 KẾT LUẬN .65 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Ý nghĩa AODV Ad-hoc On-demand Distance Giao thức định tuyến theo yêu cầu DSDV Vector dựa trên vector khoảng cách DSR Destination-Sequenced Giao thức định tuyến bảng, dựa trên HSR Distance- Vector routing vector khoảng cách theo chặng MANET OSLR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến động dựa theo ZPR protocol nguồn WRP TORA Hierarchical State Routing Định tuyến phân cấp MRAA Mobile Ad hoc Network Mạng ad hoc di động BFBR Optimized Link State Routing Định tuyên link state đƣợc tối ƣu RSSM REM Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến theo vùng Wireless Routing Protocol Giao thức định tuyến không dây Temporally Ordered Routing Thuật toán định tuyến có thứ tự tạm Algorithm thời Multi-level Routing Algorithm Thuật toán định tuyến đa đƣờng có Ad hoc chia mức cho mạng ad hoc Bird flocking behavior based Định tuyến dựa trên hành vi của đàn routing chim received signal strength meter Độ đo cƣờng độ tín hiệu nhận Remain Energy Meter Độ đo năng lƣợng còn lại 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại các chiến lƣợc định tuyến của mạng MANET 12 Bảng 3.1 Giá trị các tham số mô phỏng 43 Bảng 3.2 Thông lƣợng của các giao thức theo số lƣợng nút 46 Bảng 3.3 Tỷ lệ truyền thành công của các giao thức theo số lƣợng nút 47 Bảng 3.4 Trễ đầu cuối trung bình của các giao thức theo số lƣợng nút 49 Bảng 3.5 Tỷ lệ nút sống sót của các giao thức theo số lƣợng nút 50 Bảng 3.6 Thông lƣợng của các giao thức theo tốc độ nút 52 Bảng 3.7 Tỷ lệ truyền thành công của các giao thức theo tốc độ nút 53 Bảng 3.8 Trễ đầu cuối trung bình của các giao thức theo số lƣợng nút 55 Bảng 3.9 Tỷ lệ nút sống sót của các giao thức theo số lƣợng nút 57 Bảng 3.10 Thông lƣợng của các giao thức theo lƣu lƣợng dữ liệu 58 Bảng 3.11 Tỷ lệ truyền thành công theo lƣu lƣợng dữ liệu 60 Bảng 3.12 Trễ đầu cuối trung bình theo lƣu lƣợng dữ liệu 61 Bảng 3.13 Tỷ lệ nút sống sót của các giao thức theo lƣu lƣợng dữ liệu 62 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa của mạng MANET 8 Hình 2.1 Minh họa mạng MANET chiến thuật .23 Hình 2.2 Ví dụ về tiến trình chọn đƣờng 26 Hình 2.3 Cấu trúc header gói REQ_ANT 32 Hình 2.4 Cấu trúc header gói REP_ANT .33 Hình 2.5 Cấu trúc bảng định tuyến của giao thức Enhanced-ANT-AODV 33 Hình 2.6 Lƣu đồ thuật toán định tuyến của giao thức Enhanced-ANT-AODV 34 Hình 2.7 Minh họa tiến trình định tuyến giao thức Enhanced-ANT-AODV 40 Hình 3.1 Biểu đồ biến đổi thông lƣợng theo số nút 47 Hình 3.2 Biểu đồ biến đổi tỷ lệ truyền thành công theo số nút 48 Hình 3.3 Biểu đồ biến đổi trễ đầu cuối trung bình theo số nút 50 Hình 3.4 Biểu đồ biến đổi tỷ lệ nút sống sót theo số nút 51 Hình 3.5 Biểu đồ biến đổi thông lƣợng theo tốc độ nút 53 Hình 3.6 Biểu đồ biến đổi tỷ lệ truyền thành công theo tốc độ nút 55 Hình 3.7 Biểu đồ biến đổi trễ đầu cuối trung bình theo tốc độ nút 56 Hình 3.8 Biểu đồ biến đổi tỷ lệ nút sống sót theo tốc độ nút 58 Hình 3.9 Biểu đồ biến đổi thông lƣợng theo lƣu lƣợng dữ liệu .59 Hình 3.10 Biểu đồ biến đổi tỷ lệ truyền thành công theo lƣu lƣợng dữ liệu 61 Hình 3.11 Biểu đồ biến đổi trễ đầu cuối trung bình theo lƣu lƣợng dữ liệu 61 Hình 3.12 Biểu đồ biến đổi tỷ lệ nút sống sót theo lƣu lƣợng dữ liệu .63 4 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, hiệu năng của máy tính và công nghệ truyền thông không dây đã phát triển một cách mạnh mẽ dẫn tới việc sử dụng và ứng dụng điện toán di động không dây tiên tiến ngày càng phổ biến Phần lớn sự phát triển này liên quan đến việc sử dụng bộ giao thức IP Mạng ad hoc di động (MANET) đƣợc thiết kế với mục đích hỗ trợ hoạt động mạng di động không dây một cách hiệu quả và mạnh mẽ thông qua việc kết hợp chức năng định tuyến vào các nút di động Điều này đòi hỏi mạng MANET phải có cấu trúc liên kết đa điểm, động, ngẫu nhiên và tƣơng thích với các thay đổi nhanh chóng về cấu hình Đƣợc hình thành bởi các kết nối tạm thời giữa các nút mạng di động không có sự hỗ trợ của cơ sở hạ tầng mạng cố định, mạng MANET có nhiều những đặc điểm khác biệt so với mạng không dây và có dây truyền thống làm nảy sinh nhiều thách thức và các hƣớng nghiên cứu khác nhau nhƣ: vấn đề định tuyến hiệu quả khi topo mạng thay đổi, đảm bảo chất lƣợng dịch vụ theo yêu cầu từ chƣơng trình ứng dụng, đảm bảo an ninh mạng, tiết kiệm năng lƣợng, khả năng tự tổ chức, chuyển đổi các dịch vụ từ mô hình client-server và đảm bảo hiệu năng khi kích thƣớc mạng thay đổi Kết quả nghiên cứu phân loại và đánh giá về số lƣợng các nghiên cứu theo các hƣớng khác nhau đối với mạng MANET trong thời gian gần đây cho thấy, hƣớng nghiên cứu về định tuyến trong mạng MANET đứng đầu về số lƣợng các nghiên cứu đã đƣợc công bố Nhƣ vậy, có thể khẳng định, định tuyến trong mạng MANET đã và đang là một vấn đề rất cần đƣợc quan tâm giải quyết trong những nghiên cứu cải tiến hiệu năng mạng MANET Một giao thức định tuyến đƣợc tối ƣu tốt sẽ đóng góp rất nhiều vào việc nâng cao hiệu năng mạng MANET trong điều kiện mạng MANET có các tài nguyên (băng thông, năng lƣợng nguồn nuôi, tốc độ xử lý, bộ nhớ,…) hạn chế hơn nhiều so với các mạng truyền thống Trong các nghiên cứu nhằm tối ƣu hóa giao thức định tuyến dành cho mạng MANET, một trong những hƣớng nghiên cứu đƣợc quan tâm 5 và đã có nhiều kết quả quan trọng đƣợc công bố là áp dụng cơ chế hoạt động bầy đàn của các loại côn trùng nhƣ kiến, ong, mối, … để cải tiến mô hình lan truyền thông tin định tuyến của các giao thức định tuyến Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu cơ chế chọn đƣờng tối ƣu thuật toán định tuyến Enhanced-ANT-AODV sử dụng cho mạng MANET Trong thuật toán này, kỹ thuật lan truyền tín hiệu sinh học (pheromone) của loài kiến trong quá trình hợp tác để tìm thức ăn đƣợc sử dụng để cải tiến kỹ thuật lan truyền thông tin định tuyến trong quá trình khám phá đƣờng của giao thức định tuyến AODV thành giao thức định tuyến Enhanced-ANT-AODV Đối với loài kiến, trong quá trình tìm kiếm thức ăn, chúng sẽ xuất phát từ tổ rồi tản ra nhiều hƣớng Sau khi tìm thấy nguồn thức ăn, mỗi con kiến sẽ gửi tín hiệu sinh học cho các con khác trên đƣờng trở về tổ để các con kiến khác có đƣợc kiến thức về đƣờng đi tới nguồn thức ăn Áp dụng kỹ thuật này của loài kiến, thay vì sử dụng gói yêu cầu đƣờng RREQ trong giao thức AODV, giao thức Enhanced-ANT-AODV sẽ sử dụng gói Req.Ant để lan truyền yêu cầu tìm đƣờng trong mạng từ nút nguồn Trong quá trình lan truyền gói Req.Ant, thông tin về các con đƣờng bao gồm: độ tin cậy đầu cuối, độ tắc nghẽn, năng lƣợng còn lại của các nút trên đƣờng và chiều dài của đƣờng Sau khi nhận đƣợc gói ReqAnt, nút đích sẽ tính toán số lƣợng pheromone của mỗi con đƣờng trên cơ sở thông tin đƣợc lƣu trong gói ReqAnt và gửi lại gói trả lời đƣờng Rep.Ant Đƣờng có số lƣợng pheromone cao nhất đƣợc lựa chọn để cài đặt vào bảng định tuyến và sử dụng để truyền các gói dữ liệu Đề tài cũng sẽ thực hiện việc mô phỏng cơ chế hoạt động của kỹ thuật chọn đƣờng tối ƣu trong giao thức định tuyến Enhanced-Ant AODV và kỹ thuật chọn đƣờng theo số chặng của giao thức định tuyến AODV trên phần mềm mô phỏng NS2 để kiểm nghiệm độ hiệu quả của kỹ thuật chọn đƣờng tối ƣu trong giao thức Enhanced-Ant AODV so với giao thức AODV Luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1 trình bày tổng quan về mạng MANET, vấn đề định tuyến trong mạng MANET và một số nghiên cứu tối ƣu cơ