ĐỖ ĐÌNH CƯỜNG Trang 2 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ cho mạng ad hoc đa tốc độ” tôi đã nhận
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG PHẠM THỊ MẾN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN NHẬN BIẾT YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ CHO MẠNG AD HOC ĐA TỐC ĐỘ 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 - 2022 i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ cho mạng ad hoc đa tốc độ” 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 để luận văn được hoàn thiện Thái Nguyên, ngày 24 tháng 09 năm 2022 Học viên Phạm Thị Mến ii LỜI CAM ĐOAN Em Phạm Thị Mến xin cam đoan những nội dung trình bày trong luận văn này là kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Đình Cường và các nhà nghiên cứu đi trước Nội dung tham khảo, kế thừa, phát triển từ các công trình đã được công bố được trích dẫn, ghi rõ nguồn gốc Kết quả mô phỏng, thí nghiệm được lấy từ chương trình của bản thân Nếu có gì sai phạm em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Thái Nguyên, ngày 24 tháng 09 năm 2022 Học viên Phạm Thị Mến iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN NHẬN BIẾT CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG AD HOC 3 1.1 Tổng quan về mạng ad hoc 3 1.1.1 Định nghĩa và đặc trưng của mạng ad hoc 3 1.1.2 Đặc điểm của mạng ad hoc 4 1.2 Định tuyến nhận biết QoS trong mạng ad hoc 5 1.2.1 Định tuyến QoS cho mạng MANET 5 1.2.2 Định tuyến QoS cho mạng VANET 7 1.2.3 Định tuyến ACO nhận biết QoS 8 1.2.4 Những vấn đề còn tồn tại và thách thức trong định tuyến QoS 10 1.3 Tổng kết Chương 1 11 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÓ NHẬN BIẾT YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoRA 13 2.1 Thực thể QoRA 13 2.1.1 Bộ quản lý gói tin kiến 14 2.1.2 Bảng láng giềng QoRA 15 2.1.3 Bảng định tuyến QoRA 15 2.1.4 Máy ra quyết định QoRA 17 2.1.5 Bộ quản lý QoS 17 2.2 Thực thể SNMP 17 2.2.1 Tác tử SNMP 17 iv 2.2.2 Cơ sở thông tin quản lý MIB 18 2.3 Ước lượng giá trị các tham số QoS dựa trên SNMP 19 2.3.1 Ước lượng giá trị Băng thông 19 2.3.2 Ước lượng giá trị Độ trễ 20 2.3.3 Ước lượng giá trị Tỷ lệ mất gói 21 2.3.4 Ước lượng ngưỡng QoS 23 2.4 Cơ chế hoạt động của định tuyến QoRA 24 2.4.1 Pha tiến 24 2.4.2 Pha lùi 25 2.4.3 Pha chuyển tiếp gói tin 28 2.4.4 Pha giám sát QoS 29 2.4.5 Pha xử lý lỗi liên kết 30 2.5 Tổng kết Chương 2 31 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN QoRA 33 3.1 Triển khai giao thức QoRA trên NS-3 33 3.2 Các tham số và môi trường mô phỏng 34 3.3 Các độ đo đánh giá hiệu năng 35 3.4 Kết quả mô phỏng và phân tích, đánh giá 36 3.4.1 Tỷ lệ truyền gói thành công 36 3.4.2 Thông lượng trung bình 38 3.4.3 Trễ đầu cuối trung bình 40 3.4.4 Độ lệch trễ trung bình 42 3.5 Tổng kết Chương 3 44 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các đối tượng SNMP được sử dụng 18 Bảng 3.1 Giá trị các tham số mô phỏng với 2 kịch bản 34 Bảng 3.2 Giá trị các tham số mô phỏng với cho giao thức QoRA 35 Bảng 3.3 Tỷ lệ truyền thành công trong kịch bản mạng MANET 36 Bảng 3.4 Tỷ lệ truyền thành công trong kịch bản mạng VANET 36 Bảng 3.5 Thông lượng trung bình trong kịch bản mạng MANET 38 Bảng 3.6 Thông lượng trung bình trong kịch bản mạng VANET 38 Bảng 3.7 Trễ truyền gói trung bình trong kịch bản mạng MANET 40 Bảng 3.8 Trễ đầu cuối trung bình trong kịch bản mạng VANET 41 Bảng 3.9 Độ lệch trễ trung bình trong kịch bản mạng MANET 42 Bảng 3.10 Độ lệch trễ trung bình trong kịch bản mạng VANET 43 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Minh họa mạng ad hoc di động 3 Hình 2.1 Kiến trúc Thực thể QoRA 13 Hình 2.2 Lưu đồ thuật toán pha tiến và pha lùi của quyết định QoRA 26 Hình 2.3 Minh họa cách tính các giá trị QoS còn lại và ngưỡng QoS 27 Hình 3.1 Tỷ lệ truyền thành công trong mạng MANET 37 Hình 3.2 Tỷ lệ truyền thành công trong mạng VANET 37 Hình 3.3 Thông lượng trung bình trong mạng MANET 39 Hình 3.4 Thông lượng trung bình trong mạng VANET 40 Hình 3.5 Trễ đầu cuối trung bình trong mạng MANET 41 Hình 3.6 Trễ đầu cuối trung bình trong mạng VANET 42 Hình 3.7 Độ lệch trễ trung bình trong mạng MANET 43 Hình 3.8 Độ lệch trễ trung bình trong mạng VANET 44 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT NGN - New generation network: Mạng thế hệ mới MANETS - Mobile ad hoc network: Mạng ad hoc di động VANET - Vehicular ad hoc network: Mạng ad hoc giao thông WSN - Wireless Sensor Network: Mạng cảm biến ITS - Intelligent Transport: Giao thông thông minh QoS - Quality of Service: Chất lượng dịch vụ QoRA: Giao thức định tuyến theo yêu cầu chất lượng dịch vụ AODV - Ad Hoc On-Demand Distance Vector: Giao thức định tuyến AODV ACO - Ant colony optimization: Tối ưu hóa đàn kiến MMQARP: Giao thức định tuyến đa đường SNMP - Simple Network Management Protocol: Giao thức tầng ứng dụng CLWPR: Giao thức định tuyến CLWPR FANT: Gói kiến tiến BANT: Gói kiến lùi EANT: Gói kiến lỗi 1 MỞ ĐẦU Mạng thế hệ mới (NGN) [10] bao gồm các công nghệ mạng không dây tiên tiến như mạng ad hoc di động (MANETS) [6], mạng ad hoc giao thông (VANET) [11], mạng cảm biến (WSN) [13], Đặc điểm chính của các loại mạng này là sử dụng truyền thông không dây đa chặng thiết lập tự động Các mạng NGN ngày càng quan trọng do số lượng các thiết bị điện tử di động không dây ngày càng tăng Các thiết bị này có khả năng cung cấp các ứng dụng đa phương tiện theo thời gian thực, chẳng hạn như phát trực tuyến âm thanh và video kỹ thuật số Đối với mạng MANET và VANET còn bị rằng buộc bởi các yếu tố kỹ thuật như băng thông thấp, phạm vi truyền ngắn và chất lượng liên kết kém Đặc biệt là mạng VANET có các có thêm các đặc tính khác như thay đổi cấu trúc liên kết lặp đi lặp lại và kết nối bị ngắt thường xuyên Mạng VANET đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống giao thông thông minh (ITS) Các ứng dụng giao thông thông minh được cung cấp bởi các phương tiện giao thông qua nhiều chặng bằng cách sử dụng chế độ truyền đơn đường Việc sử dụng thông tin đa phương tiện (âm thanh, hình ảnh, video) có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc quản lý giao thông và an toàn đường bộ Để đảm bảo cung cấp thông tin ITS hoặc dữ liệu đa phương tiện một cách nhanh chóng và đáng tin cậy, Chất lượng Dịch vụ (QoS) [1, 8] cũng cần được xem xét trong các mạng ad hoc Các giao thức định tuyến là trọng tâm của vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng Mục đích của các giao thức định tuyến có nhận biết QoS là tính toán các tham số QoS và chọn đường từ nguồn đến đích thỏa mãn các yêu cầu QoS của ứng dụng Lựa chọn và tối ưu hóa giao thức định tuyến đóng vai trò chính trong việc cải thiện QoS trong các mạng ad hoc Phương pháp tiếp cận dựa trên kinh nghiệm (heristic) có thể là một phương pháp phù hợp để giải quyết vấn đề định tuyến QoS, vì chúng cung cấp một giải pháp rất tốt cho bài toán tối ưu hóa kiểu lặp lại để cố gắng cải thiện giải pháp 2 tiềm năng, đặc biệt là đối với các bài toán ra quyết định với thông tin đầu vào không đầy đủ, không hoàn hảo hoặc các hệ thống có các thực thể với năng lực tính toán hạn chế Do đó, mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu về một kỹ thuật định tuyến mới có nhận biết yêu cầu QoS cho mạng ad hoc đa tốc độ trên cơ sở phương pháp tiếp cận QoRA [2] nhằm sử dụng các tính năng giám sát của giao thức quản trị mạng đơn giản SNMP [3], giao thức đã được hỗ trợ trong thiết bị di động để có được các giá trị cục bộ cần thiết Dựa trên các giá trị này, có thể tính toán các tham số QoS và tránh tắc nghẽn trong quá trình chuyển tiếp gói dữ liệu Đề tài cũng thực hiện việc kiểm nghiệm và đánh giá hiệu năng của phương pháp định tuyến mới này trên cơ sở so sánh với hiệu năng của giao thức định tuyến AODV [9] và CLWPR [4, 5] bằng phần mềm mô phỏng NS3 [12] Luận văn có bố cục như sau: Sau phần mở đầu là nội dung Chương 1 tổng quan về một số nghiên cứu định tuyến nhận biết chất lượng dịch vụ trong mạng ad hoc Kỹ thuật định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ trong giao thức QoRA được trình bày chi tiết trong Chương 2 Các kết quả của việc thử nghiệm mô phỏng và đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến QoRA được trình bày trong Chương 3 Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của luận văn