Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ cho mạng ad hoc đa tốc độ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN NHẬN BIẾT CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG MẠNG AD HOC

1.1 Tổng quan về mạng ad hoc

1.1.1 Định nghĩa và đặc trưng của mạng ad hoc

Theo định nghĩa của Tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force),

Mạng ad hoc không dây di động là một vùng tự trị (Autonomous System) của

các bộ định tuyến được kết nối với nhau bằng liên kết không dây Mỗi nút mạng vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối vừa đóng vai trò là bộ định tuyến Các nút

có thể di chuyển một cách tự do làm cho kiến trúc của mạng thay đổi liên tục

Hình 1.1 Minh họa mạng ad hoc di động

Như vậy có thể thấy mạng ad hoc di động bao gồm 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 là một ví dụ minh họa cho một mạng ad hoc di động Trong ví

dụ này, 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

1.1.2 Đặc điểm của mạng ad hoc

Do ad hoc 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 còn có một số đặc điểm nổi bật sau:

 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 có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều

 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

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

 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 hơn là trong mạng có dây truyền thống

1.2 Định tuyến nhận biết QoS trong mạng ad hoc

Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các giao thức định tuyến hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) truyền thông trong mạng thế hệ mới NGN Thách thức lớn nhất khi giải quyết bài toán định tuyến hỗ trợ QoS chính

là việc ước lượng các tham số QoS của liên kết vì tính di động của nút mạng, thiếu thông tin trạng thái chính xác và môi trường truyền không dây được chia

sẻ [2] Có thể phân loại các giao thức định tuyến nhận biết QoS trong mạng MANET và VANET thành ba nhóm Nhóm thứ nhất là nhóm các giao thức định tuyến nhận biết QoS trong mạng MANET Nhóm thứ hai là nhóm các giao thức định tuyến nhận biết QoS trong mạng VANET Cuối cùng, nhóm thứ ba

là nhóm các giao thức tập trung vào định tuyến nhận biết QoS dựa trên mô hình Tối ưu hóa đàn kiến (ACO)

1.2.1 Định tuyến QoS cho mạng MANET

Huang và các cộng sự [3] đã đề xuất một giao thức định tuyến đa đường QoS đa ràng buộc Chức năng mục tiêu là tìm các đường dẫn tối ưu đến một điểm đến nhất định dựa trên soft-QoS được ánh xạ vào thông tin có sẵn của liên kết cục bộ Tuy nhiên, họ không cung cấp phương pháp đo lường của tham số cục bộ về độ trễ và độ tin cậy của liên kết

Balachandra và cộng sự [4] đã trình bày một giao thức định tuyến nhận biết QoS đa ràng buộc và đa đường (MMQARP) cho các MANET Quyết định định tuyến phụ thuộc vào ba ràng buộc QoS, đó là độ tin cậy của tuyến đường,

độ trễ trên liên kết và hiệu quả năng lượng của các nút Các ràng buộc QoS này được sử dụng để tính toán nút-tách rời nhiều đường dẫn từ nguồn đến đích Do

đó, giao thức yêu cầu đồng bộ hóa để tính toán độ trễ trung bình và thông tin địa lý để ước tính độ tin cậy Vì vậy, việc xác định vị trí của nút yêu cầu thiết

bị giá thành cao

Obaidat và cộng sự [5] đề xuất Giao thức định tuyến đa đường nhận biết QoS (QMRP) cho các MANET Phản hồi từ giao tiếp xuyên lớp giữa các lớp vật lý (PHY), kiểm soát truy cập trung bình (MAC) và định tuyến được sử dụng

để tính toán nhiều đường tách biệt theo nút QMRP cải thiện đáng kể AODV vì

nó mở rộng gói phát tuyến với hai trường: trường Độ trễ Đường dẫn Dự kiến (EPD) và trường tải EPD, là độ trễ tích lũy, được khởi tạo bằng 0, trong khi trường tải, là tải mới sẽ được thêm vào mạng, được khởi tạo với lưu lượng mới

sẽ được đưa vào mạng Tuy nhiên, QMRP giới thiệu chi phí định tuyến bổ sung

so với AODV do việc phát hiện ra nhiều hơn một đường dẫn trong mỗi quá trình khám phá tuyến đường

Ali và cộng sự [6] đã phát triển giao thức định tuyến ngưỡng đa đường nhận biết QoS (QMTR) cho các MANET Theo cách tiếp cận này, lưu lượng được phân phối qua các con đường khác nhau không an toàn để giảm tải cho một nút bị tắc nghẽn Cơ chế tắc nghẽn dựa trên băng thông khả dụng, độ trễ truyền nút và tải Tuy nhiên, giao thức cố gắng chọn các tuyến đường đến đích một cách tối ưu mà không áp dụng các ràng buộc QoS đầu cuối Vì vậy, QoS cục bộ có thể tồn tại, nhưng QoS end-to-end trên toàn tuyến không được thỏa mãn Do đó, sự sẵn có của các tham số QoS cục bộ là không đủ để vận chuyển các ứng dụng đa phương tiện thời gian thực

Lal và cộng sự [7] đã đề xuất một giao thức định tuyến nhận biết QoS phản ứng (QARP), là một giao thức định tuyến đa đường phân tách nút nhận

biết băng thông Cách tiếp cận được đề xuất tìm các đường dẫn thỏa mãn yêu cầu băng thông của ứng dụng Giao thức điều chỉnh kiểm soát nhập phiên (SAC) và giao tiếp xuyên lớp (CLC) để ước tính cục bộ băng thông cho mỗi nút Ngoài ra, giai đoạn khám phá tuyến đường tạo ra chi phí cao và độ trễ hoặc tiêu thụ điện năng cao hơn, vì thông tin được thu thập từ các hàng xóm hai bước để tính toán băng thông khả dụng tại mỗi nút trung gian cho các đường dẫn đã chọn

1.2.2 Định tuyến QoS cho mạng VANET

Do cấu trúc liên kết mạng động của nó, Chen.et.al [8] chỉ định rằng QoS trong VANET nên được xem xét để gửi thông điệp nhanh chóng và đáng tin cậy Để giải quyết vấn đề này, Niu et al [9] tạo ra giao thức định tuyến QoS (DeReQ) bị hạn chế về độ trễ và độ tin cậy Giao thức được đề xuất sử dụng thời gian tồn tại của liên kết và mật độ lưu lượng hiện tại để tính toán độ tin cậy Do đó, cần có thêm thông tin địa lý như bản đồ kỹ thuật số và các thiết bị

cụ thể để cung cấp thông tin vị trí địa lý Asefi và cộng sự [10] đã đề xuất một khung định tuyến tập trung vào ứng dụng bao gồm các đơn vị bên đường để phổ biến các luồng video Một mô hình di động dựa trên xếp hàng và xác suất kết nối cho các VANET thưa thớt và dày đặc đã được áp dụng Ngoài ra, việc lựa chọn nút tiếp theo được thực hiện tùy thuộc vào tốc độ gói video, xác suất lỗi gói và tổng thời gian truyền Tuy nhiên, giao thức không áp dụng các ràng buộc QoS đầu cuối cho các ứng dụng đa phương tiện và thời gian thực

Một phương pháp định tuyến khác là cách tiếp cận dựa trên vị trí, trong

đó dữ liệu được chuyển tiếp trên cơ sở thông tin vị trí như vị trí của các nút nguồn, đích và lân cận Trong [11] chỉ ra rằng các giao thức dựa trên vị trí thích hợp cho việc truyền đa phương tiện qua VANET hơn các giao thức phản ứng, trong khi các giao thức chủ động hoàn toàn không phù hợp với tính di động cao

trong VANET Katsaros và cộng sự [12, 13] đã đề xuất một giao thức định tuyến dựa trên vị trí cho môi trường xe cộ trong đô thị, được đặt tên là Định tuyến dựa trên vị trí có trọng số chéo (CLWPR) Như tên cho thấy, giao thức

sử dụng thông tin vị trí của các nút và cơ chế xuyên lớp giữa lớp PHY và lớp MAC để cải thiện hiệu quả và độ tin cậy tương ứng của giao thức định tuyến trong VANETs Cơ chế phân lớp chéo theo dõi tham số lớp PHY như giá trị SINR của gói nhận được bằng cách sử dụng bản tin hello và tỷ lệ lỗi khung được tính trong lớp MAC Giao thức hỗ trợ cân bằng lưu lượng bằng cách xem xét thông tin xếp hàng MAC về việc sử dụng nút để cung cấp QoS tốt hơn Giao thức này cũng giải quyết vấn đề mất kết nối mạng do tính di động cao bằng cách đệm các gói tin với cơ chế chuyển tiếp (carry-n-forward) Mặc dù cơ chế này làm tăng tỷ lệ phân phối gói, nhưng nó cũng làm tăng độ trễ đầu cuối và do

đó không được khuyến nghị cho các dịch vụ nhạy cảm với QoS Giao thức CLWPR dựa trên mô-đun Định tuyến trạng thái liên kết được tối ưu hóa (OLSR), là một giao thức đặc biệt chủ động

1.2.3 Định tuyến ACO nhận biết QoS

Một số giao thức đã được đề xuất để giải quyết vấn đề QoS bằng cách sử dụng Tối ưu hóa khu vực kiến (ACO) Các giao thức định tuyến ACO được kích hoạt với khả năng thích ứng làm cho chúng linh hoạt trước các điều kiện môi trường thay đổi và tăng khả năng chống lại các lỗi và hư hỏng xảy ra trong mạng [2]

Deepalakshmi và cộng sự đã giới thiệu giao thức định tuyến QoS đa mục tiêu dựa trên kiến cho các MANET để hỗ trợ truyền thông đa phương tiện Giao thức này xác định các đường dẫn khác nhau dựa trên số bước nhảy, độ trễ và băng thông liên kết Đường dẫn có xác suất ưu tiên cao nhất được chọn để gửi

dữ liệu đến đích mong muốn Tuy nhiên, giao thức sử dụng các thông báo hello

định kỳ để phát hiện lỗi liên kết và đánh giá băng thông khả dụng cho mỗi nút lân cận, điều này làm tăng chi phí trong mạng Ngoài ra, nó giả định rằng tất cả các nút trong MANET đều được đồng bộ hóa để tính toán các tham số QoS Krishna và cộng sự đã đề xuất một giao thức định tuyến đa đường dựa trên đàn kiến (QAMR) hỗ trợ QoS cho các MANET Thuật toán lựa chọn đường dẫn dựa trên tính khả dụng của bước nhảy tiếp theo (NHA) và xác suất

ưu tiên đường dẫn NHA xem xét cả yếu tố di động và năng lượng để tìm ra

độ tốt của các liên kết và các nút Đối với tính toán xác suất ưu tiên đường dẫn, các tham số khác nhau như độ trễ, băng thông và số bước nhảy được đo Tuy nhiên, nhược điểm chính của giao thức này là thuật toán không xác định các phương pháp tính băng thông khả dụng và độ trễ Ngoài ra, thông tin định

kỳ cần được trao đổi giữa các nút lân cận để tính toán độ ổn định của liên kết phát sinh chi phí

Kim đã giới thiệu một chiến lược định tuyến đa đường dựa trên thuật toán ACO Trong giai đoạn khám phá đường dẫn, mỗi nút sẽ gửi một gói kiến một cách ngẫu nhiên từ nút này sang nút khác Kiến chuyển tiếp chọn bước nhảy tiếp theo dựa trên khoảng cách và độ dài hàng đợi có sẵn tại nút hàng xóm Ngoài ra, mỗi nút định kỳ truyền thông điệp hello để duy trì kết nối cục bộ với các nút hàng xóm Giao thức định tuyến được đề xuất chọn các đường dẫn thích ứng nhất thỏa mãn các hạn chế QoS về băng thông và độ trễ Tuy nhiên, thuật toán được đề xuất dựa trên thực tế là thông tin về băng thông và độ trễ đã có sẵn từ trước

Balaji và cộng sự đã đề xuất một giao thức định tuyến MANET dựa trên AODV và ACO, được đặt tên là AODV-ACO Giao thức này cung cấp một số liệu chất lượng liên kết mới để xử lý chất lượng liên kết giữa các nút để đánh giá các tuyến đường, như một sự cải tiến cho giao thức định tuyến AODV hiện

có Chất lượng liên kết giữa hai nước láng giềng có thể được đánh giá dựa trên cường độ tín hiệu nhận được có thể được biểu thị bằng các yếu tố mạng khác như năng lượng pin, khoảng cách và tính di động Ở đây, các thông báo xin chào thông thường được mở rộng sang Định dạng chất lượng liên kết gói mới

Nó là một số nguyên chất lượng liên kết xác định chất lượng liên kết giữa các nút lân cận Tuy nhiên, giao thức được đề xuất đã sử dụng thông báo hello tiêu tốn băng thông và năng lượng có sẵn

Nivetha và cộng sự đề xuất sự kết hợp của hai phương pháp tối ưu ngẫu nhiên ACO và GA (Thuật toán di truyền) được gọi là thuật toán ACO GA Hybrid Meta-heuristic (AGHM) để giảm sự phức tạp trong môi trường động Đối với cấu trúc liên kết mạng đã cho, tất cả các tuyến đường có thể xảy ra từ nguồn đến đích đều được tìm thấy bằng cách sử dụng ACO Trong bước tiếp theo, tập hợp tất cả các tuyến đường được hình thành dựa trên nồng độ pheromone trên các tuyến đường do kiến nhân tạo lắng đọng Tập hợp các tuyến đường này sẽ đóng vai trò là tập hợp ban đầu được GA sử dụng Tuy nhiên, thuật toán được đề xuất không cung cấp thông tin về độ trễ và tính toán băng thông Ngoài ra, các thuật toán ACO và GA có thể phải trải qua một số lượng lớn các lần lặp để tìm ra đường dẫn tối ưu và do đó tiêu tốn một lượng lớn thời gian, điều không mong muốn đối với các ứng dụng đa phương tiện

1.2.4 Những vấn đề còn tồn tại và thách thức trong định tuyến QoS

Theo đánh giá trong nghiên cứu [2], trong các kỹ thuật đo lường được áp dụng bởi các giao thức định tuyến nhận biết QoS được trình bày trong các phần trước, một nhóm đáng kể các giao thức định tuyến QoS giả định rằng các tham

số QoS có sẵn, tức là phương pháp luận để đo lường hoặc ước tính các tham số QoS không được cung cấp Do đó, không thể đánh giá được hiệu quả của việc tính toán QoS có thể đạt được

Các cách tiếp cận khác sử dụng thông tin bổ sung (ví dụ: thông tin địa lý

về các nút) hoặc các thông báo kiểm soát bổ sung để ước tính chất lượng của các liên kết Điều này dẫn đến tăng lưu lượng điều khiển với chi phí băng thông cho lưu lượng đa phương tiện Ngoài ra, thông tin chất lượng liên kết cục bộ không đảm bảo QoS đầu cuối cho các tuyến đường vì nút lân cận được chọn theo tiêu chí chất lượng cao lại có thể không tạo ra đường có chất lượng cao đến đích

Các đề xuất theo hướng giả định rằng tất cả các nút trong MANET được đồng bộ hóa để tính toán các tham số QoS Điều này dẫn đến phát sinh chi phí cho tín hiệu đồng bộ hóa Hơn nữa, trong cấu trúc liên kết thay đổi liên tục với các nút tham gia hoặc rời khỏi mạng, nỗ lực duy trì tính đồng bộ là rất cao (làm cạn kiệt pin của các nút di động) và có thể không phải lúc nào cũng đạt được tính đồng bộ trong tất cả các nút cùng một lúc

Từ việc phân tích, đánh giá các vấn đề còn tồn tại và những thách thức trong các giao thức định tuyến QoS cho mạng ad hoc như trên, các tác giả trong nghiên cứu [2] đã đề xuất một thuật toán định tuyến dựa trên ACO không yêu cầu thêm các bản tin điều khiển hoặc các nút đồng bộ dựa trên cách tiếp cận QoRA Trong đó, các tham số QoS được lấy từ một thực thể quản lý mạng và tính toán cục bộ chất lượng của các liên kết đi Với cách tiếp cận này, các tồn tại để duy trì định tuyến QoS khi cấu trúc liên kết thay đổi nhanh chóng trong các mạng MANET/VANET có thể được giải quyết

1.3 Tổng kết Chương 1

Mạng ad hoc 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 Công nghệ và mô hình mạng này 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 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, 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

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

Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các giao thức định tuyến hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) truyền thông trong mạng thế hệ mới NGN Đã có nhiều giải pháp định tuyến QoS dành cho mạng MANET hoặc VANET được đề xuất nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề lớn về mặt kỹ thuật như chưa đánh giá được độ hiệu quả định tuyến, phát sinh chi phí điều khiển, yêu cầu đồng bộ cao dẫn tới tiêu hao năng lượng nguồn lớn

Kỹ thuật định tuyến nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ cho mạng ad hoc đa tốc độ được đề xuất trong [2] là một giải pháp đưa ra để góp phần khắc phục những tồn tại đã đề cập ở trên Chương 2 của luận văn sẽ đi sâu vào trình bày các vấn đề chi tiết của kỹ thuật này và Chương 3 sẽ thực hiện việc cài đặt,

đánh giá hiệu quả của giải pháp bằng mô phỏng

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN CÓ NHẬN BIẾT YÊU CẦU

CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoRA

Kỹ thuật định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) dựa trên phương pháp Tối ưu hóa kiến trúc QoRA [2] bao gồm 2 thành phần cốt lõi của Thực thể QoRA và Thực thể SNMP

2.1 Thực thể QoRA

Thực thể QoRA chạy trên mỗi nút để xác định các đường phù hợp với các yêu cầu QoS Nó bao gồm 5 thành phần: Bộ quản lý gói tin kiến (Ant Management), Bảng láng giềng (Neighbor Table), Bảng Định tuyến (Routing Table), Máy ra quyết định QoRA (QoRA Decision Engine) và Bộ quản lý QoS (QoS Management) Kiến trúc của thực thể QoRA được đưa ra trong Hình 2.1

Hình 2.1 Kiến trúc Thực thể QoRA

2.1.1 Bộ quản lý gói tin kiến

Dựa trên phương pháp ACO, mỗi gói tin điều khiển trong định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ QoRA được xem như một thực thể kiến

Bộ quản lý kiến có nhiệm vụ tạo ra ba loại gói tin kiến, đó là gói kiến tiến (FANT), gói kiến lùi (BANT) và gói kiến lỗi (EANT) Bộ quản lý Kiến sắp xếp

và giải mã những gói tin này khi truyền hoặc nhận chúng Các gói tin kiến chứa thông tin cụ thể để cung cấp tính năng định tuyến nhận biết QoS và gửi pheromone trên các con đường mà chúng đã đi qua Tất cả các gói tin dữ liệu

và gói tin kiến đều chứa một định danh FlowID duy nhất Mỗi FlowID cho phép nó xác định nút nguồn, nút đích và giá trị bộ đếm để xác định luồng dữ liệu hoặc luồng FlowLabel Ngoài ra, gói tin kiến còn chứa có một số trường

cụ thể liên quan đến các tham số QoS của luồng trên đường nó đi qua

Loại gói tin kiến thứ nhất là gói FANT Gói này có ba trường đặc biệt là

QP, QP desired và FantStack Ý nghĩa cụ thể của các trường này như sau:

 Trường QP: là tham số QoS đại diện cho trễ đầu cuối (𝐷) và tỷ lệ truyền

thành công dự kiến (𝑆) được tổng hợp từ tất cả các nút mà gói đã đi qua

 Trường QP desired: đại diện cho các yêu cầu QoS từ người dùng về băng thông tối thiểu (𝐵min), độ trễ tối đa (𝐷max) và tỷ lệ truyền thành công

dự kiến tối thiểu (𝑆𝑚in)

 Trường FantStack: chứa địa chỉ IP của tất cả các nút đã đi qua

Loại gói tin kiến thứ hai là BANT, cũng có ba trường đặc biệt là QP,

QP residual và BantStack Ý nghĩa cụ thể của các trường này như sau:

 Trường QP: là tham số QoS đại diện cho băng thông khả dụng tối thiểu

(B), trễ đầu cuối (𝐷) và tỷ lệ truyền thành công dự kiến (𝑆) được tổng hợp từ tất cả các nút mà gói đã đi qua

 Trường QP residual: đại diện cho giá trị còn dư của các tham số QoS bao gồm băng thông còn lại (QB), độ trễ đầu cuối còn lại (QD) và tỷ lệ truyền thành công dự kiến còn lại (QS)

 Trường FantStack: chứa địa chỉ IP của tất cả các nút đã đi qua do FANT

thu thập

Loại gói tin kiến thứ ba là EANT Gói này chỉ có một trường là EantStack

chứa FlowID cho tất cả các nút đích hoặc luồng bị ảnh hưởng

2.1.2 Bảng láng giềng QoRA

Trong bảng láng giềng, mỗi nút láng giềng (lân cận) được lưu trữ cùng với giá trị pheromone tương ứng Pheromone ij cho biết mức độ tốt của liên kết từ nút 𝑖 đến nút 𝑗 Từ đó nó cho biết số lượng gói đã chọn liên kết này để di chuyển qua vì khi mỗi gói BANT hoặc gói dữ liệu đi qua một liên kết, nó sẽ tăng lượng pheromone tích lũy theo Công thức (1)

Từ thế giới thực, pheromone của loài kiến là một chất hóa học dễ bay hơi nên hiện tượng này đã được mô hình hóa bằng này bằng hệ số phân rã , được định nghĩa là khoảng thời gian gửi một gói dữ liệu tại nút 𝑖 và nhận thành công gói dữ liệu tại nút 𝑗

2.1.3 Bảng định tuyến QoRA

Bảng định tuyến QoRA chứa các tuyến đường tới các đích xác định theo một luồng nào đó và được sử dụng để chuyển tiếp gói dữ liệu Nhiều đường có thể sử dụng cùng một luồng trong bảng định tuyến

Một điểm truy cập trong bảng định tuyến chứa thông tin về một tuyến đường từ nút 𝑖 đến nút đích 𝑑 qua nút láng giềng 𝑗 Mỗi điểm truy cập dành cho

một nút đích được liên kết với một danh sách các nút láng giềng phù hợp Mục nhập bảng định tuyến chứa các trường sau:

 FlowID: định danh luồng

 NextHop: địa chỉ nút láng giềng tiếp theo đi trên đường

 QP: tham số chất lượng dịch vụ QP

 QPThreshold: giá trị ngưỡng QoS

 𝜂ijd: hệ số heristic, được xác định theo công thức (2)

 𝒫ijd: giá trị xác suất phản ánh khả năng gói dữ liệu được chuyển tiếp theo đường này

𝜂𝑖𝑗𝑑 =[𝐵𝑖𝑗𝑑 ]𝛽𝐵×[𝑆𝑖𝑗𝑑]𝛽𝑆

[𝐷 𝑖𝑗𝑑 ]𝛽𝐷 (2)

Hệ số heuristic được tính theo Công thức 2 Theo đó, quyết định QoRA được xây dựng trên ba ràng buộc QoS là băng thông (𝐵), độ trễ (𝐷) và tỷ lệ truyền thành công dự kiến (𝑆); được tính toán dựa trên sự hợp tác với tác nhân

SNMP Trong đó, β B , β S và β D là các tham số điều chỉnh của băng thông, tỷ lệ thành công dự kiến và độ trễ tương ứng

Xác suất 𝒫ijd được tính toán dựa trên giá trị pheromone và hệ số heuristic theo Công thức (3)

có đường đi đến nút d có tổng bằng 1

Như vậy, thông tin trong bảng định tuyến này bao gồm thông tin QoS về tuyến đường Tuy nhiên, mỗi điểm truy cập trong bảng định tuyến cho một đích chỉ được cập nhật tại một nút sau khi nhận được một gói BANT từ nút đích Dựa vào bảng định tuyến, lưu lượng dữ liệu sẽ được phân phối theo xác suất cho từng nút láng giềng trong bảng định tuyến

2.1.4 Máy ra quyết định QoRA

Khối quan trọng nhất trong thực thể QoRA chính là Máy quyết định QoRA Nó gửi các gói tin kiến khác nhau qua Bộ quản lý gói tin kiến; cập nhật Bảng định tuyến và Bảng láng giềng dựa trên các tham số QoS và thông tin được thu thập bởi các gói tin kiến; gửi các tham số QoS thu được tới Bộ quản

lý QoS để giao tiếp với Đại lý SNMP cục bộ

2.2 Thực thể SNMP

Giao thức SNMP là giao thức quản lý mạng được chuẩn hóa lần đầu tiên vào năm 1988 và hiện có sẵn trong phiên bản 3 Đây là một giao thức ứng dụng nằm trên UDP, được sử dụng để truy xuất thông tin quản lý từ một thực thể quản lý được gọi là tác tử SNMP Hai thành phần chính của giao thức SNMP

là Tác tử SNMP và Cơ sở thông tin quản lý MIB

2.2.1 Tác tử SNMP

Tác tử SNMP thường có sẵn trên mọi nút có kết nối mạng Nó cho phép thu thập thông tin liên quan đến nút này Để lựa chọn các liên kết theo yêu cầu QoS, cần có thông tin chi tiết về đặc điểm của các liên kết Chúng có thể được xác định bằng cách sử dụng các phép đo, nhưng điều này sẽ gây ra thêm lưu lượng truy cập ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của các liên kết Do đó, giao thức định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ QoRA truy xuất các thông tin cục bộ này từ tác nhân SNMP mà không cần tính toán thêm bên ngoài

2.2.2 Cơ sở thông tin quản lý MIB

Thông tin quản lý có sẵn thông qua các Đối tượng được quản lý, được lưu trữ trong Cơ sở thông tin quản lý dựa trên cây được chuẩn hóa (MIB)

Cấu trúc cây này dùng để giải quyết các Đối tượng được Quản lý duy nhất Bảng 2.1 liệt kê các đối tượng có liên quan tới mô hình kiến trúc định tuyến QoRA

Bảng 1.1 Các đối tượng SNMP được sử dụng

ifSpeed Băng thông hiện tại trên cổng, đơn vị bps

ifMtu Kích thước gói tin lớn nhất được gửi/nhận trên cổng ifOutQLen Kích thước bộ đệm gói tin đi ra

ifInDiscards Số lượng gói tin bị hủy chiều đi vào

ifInErrors Số lượng gói tin bị lỗi chiều đi vào

ifInUnknownProtos Số lượng gói tin bị hủy do không xác định được loại

gói tin ở chiều đi vào ifOutDiscards Số lượng gói tin bị hủy chiều đi ra

ifOutErrors Số lượng gói tin bị lỗi chiều đi ra

Đối tượng Mô tả

IfHCInUcastPkts Số lượng gói tin unicast gửi từ tới tầng cao hơn IfHCInMulticastPkts Số lượng gói tin multicast gửi từ tới tầng cao hơn IfHCInBroadcastPkts Số lượng gói tin broadcast gửi từ tới tầng cao hơn IfHCOutUcastPkts Số lượng gói tin unicast tầng trên yêu cầu gửi đi IfHCOutMulticastPkts Số lượng gói tin multicast tầng trên yêu cầu gửi đi IfHCOutBroadcastPkts Số lượng gói tin broadcast tầng trên yêu cầu gửi đi

2.3 Ước lượng giá trị các tham số QoS dựa trên SNMP

Thực thể QoRA chịu trách nhiệm tìm đường đến đích theo các yêu cầu QoS xác định trước Do đó, nó cần xác định chặng kế tiếp phù hợp để chuyển tiếp các gói tin thuộc một luồng nhất định Để tính toán các giá trị QoS của các liên kết, nó dựa vào các phép đo của các tham số liên kết được thực hiện bởi các tác nhân SNMP Có 3 tham số QoS được ước lượng để xác định chất lượng của liên kết là Băng thông, Độ trễ và Tỷ lệ mất gói

2.3.1 Ước lượng giá trị Băng thông

Một trong những tham số QoS quan trọng nhất là băng thông hay tốc độ truyền Tốc độ truyền được tự động chọn dựa trên cường độ tín hiệu nhận được bởi một cơ chế được gọi là Tốc độ tự động dựa trên máy thu (RBAR) Trong mạng không dây đặc biệt nhiều tốc độ, băng thông cho một tuyến đường xác định bị giới hạn bởi tốc độ truyền tối thiểu của liên kết trên tất cả các liên kết thành phần thuộc tuyến đường Vì vậy, mỗi nút phải xác định tốc độ truyền của các liên kết chiều đi ra của nó Do băng thông của mỗi liên kết chiều đi ra từ

mỗi nút được lưu trữ trong đối tượng SNMP “ifSpeed” nên Băng thông của liên kết từ nút i đến nút j trên con đường đi đến nút đích d được xác định theo công

thức (4)

𝐵𝑖𝑗𝑑 = 𝑚𝑖𝑛{𝑖𝑓𝑆𝑝𝑒𝑒𝑑(𝑛), ∀𝑛 ∈ 𝑃𝑖𝑗𝑑} (4)

Để xác định xem một nút có thể đáp ứng yêu cầu băng thông Bmin trên

tuyến đường Ρijd hay không, nó phải đáp ứng công thức (4)

Vì tốc độ truyền thấp sẽ dẫn tới thông lượng thấp và làm tăng độ trễ chuyển gói Thêm vào đó, nếu khoảng cách giao tiếp giữa hai nút tăng lên thì giao tiếp rất dễ bị lỗi do tỷ lệ cường độ tín hiệu trên nhiễu giảm Những lỗi này kích hoạt việc truyền lại qua các liên kết đã bị tước tài nguyên gây ra sự sụt giảm đáng kể về thông lượng ứng dụng Do đó, trong định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ QoRA, Bmin đã được chọn làm tỷ lệ cơ bản của tiêu chuẩn IEEE 802.11

2.3.2 Ước lượng giá trị Độ trễ

Tham số QoS tiếp theo là cần ước lượng là độ trễ Nó được xác định là tổng thời gian trễ cho một gói dữ liệu được truyền giữa hai nút lân cận và được tính toán từ ba thành phần:

+ D prop: là thời gian để tín hiệu vật lý truyền từ nút gửi đến nút nhận

+ D trans: là thời gian tính từ khi gửi bit đầu tiên đến bit cuối cùng của gói tin tại nút gửi

+ D queue: là thời gian một gói tin phải đợi trong hàng đợi của một nút trước khi nó có thể được chuyển tiếp

Tổng độ trễ trong một nút n D total (n) xác định theo công thức (5)

𝐷𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙(𝑛) = 𝐷𝑝𝑟𝑜𝑝 + 𝐷𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 + 𝐷𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒 (5)

Độ trễ lan truyền D prop phụ thuộc vào khoảng cách giữa nút gửi và nút nhận Điều này thay đổi đáng kể trong MANET với giả định liên lạc vô tuyến với tốc độ tín hiệu gần bằng tốc độ ánh sáng Do đó, độ trễ lan truyền giữa hai