Nghiên cứu bài toán cấp phát tài nguyên Trong mạng AD HOC không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Nguyễn Ngọc Ân

NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN CÁP PHÁT TÀI NGUYÊN TRONG

MẠNG AD HOC KHONG DAY

Chuyên ngành: Hệ Thống Thông Tin Mã số: 60.48.01.04

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2014

Mở đầu

Mạng không dây Ad-hoc (Mobile Ad-hoc NETworks, viết tắt là MANET) là một loại mạng không dây trong đó các nút mạng (node) có thé di chuyén tu do va

không lệ thuộc vào bat ky nút mạng hay thiết bị mạng nào.Mạng như vậy có thể hoạt

động độc lập hoặc kết nối với mạng hạ tầng chung vào mạng thông tin toàn cầu.

Y Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu các giải pháp cấp phát tài nguyên cụ thể là băng thông trong mạng

Ad hoc không dây nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ khi dữ liệu truyền qua giữa các

mô hình mạng.

Phạm vi nghiên cứu:

Một số bài toán cấp phát tài nguyên cụ thê gồm: định tuyến, lập lịch, đa dạng

hóa đường dẫn trong mạng Ad hoc không dây.

Y Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, tong hợp kiến thức từ tài

liệu và thực tiền, phương pháp phân tích toán học, phương pháp mô phỏng.

Y Cấu trúc luận văn:

Ngoài các phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn được triển khai theo

ba chương như sau:

- _ Chương 1: Giới thiệu mang Ad-hoc không dây và van dé cấp phát tài nguyên Trình bày khái niệm về mạng Ad-hoc không dây, phân loại mạng Ad-hoc

không dây.

- Chương 2: Trinh bày nội dung nghiên cứu về một số bài toán cấp phát tài

nguyên trong Ad-hoc không dây.

- Chương 3: Trinh bày một số công cụ có thé sử dụng cho mô phỏng mang

Ad-hoc không dây gồm OMNeT++, Contiki, Atarraya, NS2 và một số kết quả mô phỏng

CHUONG 1: GIỚI THIỆU MẠNG AD-HOC KHÔNG DAY VA VAN ĐÈ CAP

PHAT TAI NGUYEN

1.1 Khái quát về mang Ad-hoc không dây

1.1.1 Giới thiệu chung

Mạng Ad-hoc không dây còn được gọi là mạng Ad-hoc di động không dây

(Mobile Ad-hoc Network - MANET) vì các nút mạng thường là các thiết bị di

động không dây.

1.1.2 Đặc điểm của mạng Ad-hoc không dây [1] e Tinh phân tan, tự tổ chức

© Cấu trúc mạng động

e Băng thông hạn chế

e Hạn chế về năng lượng

© Chất lượng thông tin liên lạc kém e Khả năng triển khai và mở rộng e Kha năng triển khai và mở rộng

1.1.3 Một số ứng dụng mang Ad-hoc không dây điển hình e Mang Ad-hoc sử dụng trong lĩnh vực quân sự

e Mạng Ad-hoc sử dụng trong lĩnh vực dịch vụ khan cap

e Mang Ad-hoc su dung trong linh vuc dan su khac1.2 Phan loại mang Ad-hoc không dây

1.2.1 Phân loại theo Topo mạng

1.2.2 Phân loại theo chế độ hoạt động

1.2.4 Phân loại theo chức năng

e Mang MANET đẳng cấp (Flat)

e Mang MANET phân cấp (Hierarchical)

e Mang MANET kết hợp (Aggregate)

1.3 Chất lượng dịch vụ trong mạng Ad-hoc không dây

Đối với mang Ad-hoc không dây, khái niệm chất lượng dịch vụ có thé xem xét ở các khía cạnh về độ mat gói (Packet Loss) hay độ tin cậy khi truyền, độ trễ gói tin, tính hiệu quả của việc truyền tin, thời gian tồn tại của kết nối mạng Việc đa dạng hóa

đường đi có thể làm tăng độ tin cậy, nghĩa là làm giảm tỷ lệ mắt gói tin.

1.3.1 Độ mat gói tin

Đề đảm bảo chất lượng dịch vụ, yêu cầu về độ tin cậy có thé được biéu thị như

Nghia là, xác suất độ trễ của một gói tin bat kỳ lớn hon một giá trị trễ lớn nhất

có thể có là Dụ cần nhỏ hơn một giá trị xác định trước ep 1.3.3 Tính hiệu quả của việc truyền tin

Hiệu quả của việc truyền tin có thể xem như hiệu quả sử dụng tài nguyên (băng

thông) trong mạng Ad-hoc không dây.

7 = Lưu lượng truyén thực tế / Lưu lượng bị mat

Nghia là giá trị z biểu thị tỷ lệ giữa tông số gói tin nhận được thực tế so với số gói tin bi mat đi trong một khoảng thời gian kết nối mạng dé truyền tin.

1.3.4 Thời gian tồn tại của kết nối

Trong mang Ad-hoc không dây, thời gian tổn tại kết nối là khoảng thời gian một nút mạng tham gia vào mạng tới khi nút không thực hiện được kết nối, hay

nút mạng đó rời khỏi mô hình mạng.1.3.5 Tiêu thu năng lượng

Tiêu thu năng lượng là một van dé quan trọng không chi trong mang Ad-hoc

không dây mà còn cho tất cả các thiết bị đi động Các thiết bị này đều chịu sự hạn chê về thời gian cung cap của pin.

1.4 So sánh mạng Ad-hoc không dây và mạng di động

ién kết không dây bước nhảy đơn rạm cơ sở: Lỗi điêm đơn

Khả năng di chuyên => thường xuyên bị

ng dụng trong quân sự, ứng cứu khẩn Dùng cho mục đích thương mại cấp, thảm họa, dịch vụ giao thông, hội

ram phát phức tap, máy đầu cuối don

; Độ phức tạp déu năm ở may dau cudi

Độ thỏa đáng của lưu lượng giữa các máy

Đông bộ thời gian => TDMA Đông bộ thời gian khó khăn => CSMA

Sử dụng tần số tĩnh Sử dụng tần số động

1.5 Một số vấn đề liên quan đến cấp phát tài nguyên trong mang Ad-hoc không dây

1.5.1 Chia sẻ băng thông, đảm bao QoS

Dam bao QoS và sử dụng hiệu quả tài nguyên mang là hai mục tiêu khó khăn

của các mạng nói chung và của mạng Ad-hoc không dây nói riêng Quản lý tài nguyên

đóng vai trò quan trọng nhất đề đạt được các mục tiêu này.

Tóm lại, van dé chia sé băng thông thường được thực thi với phương pháp

lập lịch phù hop.

1.5.2 Truyền tải tin cậy

Những van đề nồi cộm trong việc cấp phat tài nguyên (băng thông) trong

mang Ad-hoc không dây có thê ké đến là: sự mắt gói tin trên đường truyền do sự truy cập và dịch chuyền của các nút mang; giới hạn về băng thông của kênh

truyền; sự hạn chế về kết nối mạng của các nút mạng.

1.5.3 Định tuyến đa đường

Đa định tuyến rất quan trọng cho đa dạng hóa đường dẫn Có khá nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này, cho thấy rằng đa định tuyến là khả thi.

Có rất nhiều thuật toán định tuyến đa đường di có san đặc biệt cho các mạng Ad hoc, cụ thể như AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), DSR

(Dynamic Source Routing)

1.5.4 Phân tán thông tin trên nhiều đường

Đa dạng đường truyền được thực thi thông qua phân tán thông tin thành

những mảnh dt liệu được đánh số thứ tự và truyền theo nhiều đường trên mạng,

được kết hợp lại tại nút đích Ban đầu kỹ thuật này được đề xuất như một kỹ thuật cân bằng tải, tuy nhiên nó chỉ được sử dụng tùy trong trường hợp cu thé

1.5.5 Chia tách kết nối

Chia tách kết nối là phương pháp tiếp cận tập hợp băng thông được đề xuất từ những năm 1990, khi các thiết bị không dây có thể cung cấp băng thông theo yêu cầu của người sử dụng.

1.6 Kết luận chương 1

Nội dung của chương 1 đã trình bày những khái niệm cơ bản về mang Ad-hoc không dây, với những mô hình và công nghệ, các ứng dụng, đồng thời phân tích các đặc điểm về mặt kỹ thuật, những vấn đề liên quan đến chất lượng dịch vụ và cấp phát

tài nguyên trong MANET.

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MOT SO BÀI TOÁN CAP PHÁT TÀI

NGUYÊN DIEN HÌNH TRONG MẠNG AD-HOC KHONG DAY2.1 Mé đầu

Những vấn đề này liên quan mật thiết đến định tuyến, lập lịch Vì vậy, nội dung

chương 2 tập trung nghiên cứu một số bài tốn cấp phát tài nguyên điển hình trong

mạng ad-hoc khơng dây sẽ đề cập đến ba bài tốn điển hình nhất cĩ liên quan đến cấp

phát tài nguyên là:

— Bài tốn định tuyến trong mạng Ad-hoc khơng dây.

— Bài tốn lập lịch cấp phát băng thơng trong mạng Ad-hoc khơng dây, và

— Bài tốn đa dạng hĩa đường dẫn (Multipath) trong mạng Ad-hoc khơng dây.

2.2 Bài tốn định tuyến trong mạng Ad-hoc khơng dây 2.2.1 Giới thiệu chung

Các giao thức định tuyến trong mạng adhoc cĩ thể phân thành ba nhĩm chính

như sau.

ác giao thức định tuyên.

(Ac giao thức định tuyén theo bang Các giao thức Binh tuyễn theo yéu cau

Vec to khộng cách liên tiếp đến dic định tuyến kết hợp - AODY-DSDV Định tuyến ving -DRS

Hình 2 1 Phân loại định tuyến trong mang Ad-hoc s* Định tuyến theo bảng:

Trong phương pháp định tuyến theo bảng, các node trong mạng MANET liên tục đánh

giá các tuyến tới các node dé duy trì tính tương thích, cập nhật của thơng tin định

Một số giao thức định tuyến điền hình theo bảng trong MANET gồm:

+ Giao thức định tuyến khơng dây WRP (Wireless Routing Protocol)

+ Định tuyến vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Destination Sequence

Distance Vector).

s* Định tuyến kết hop:

Thơng thường, các giao thức định tuyến lai ghép Manet được sử dụng trong kiến trúc phân cấp.

Một số ví dụ về giao thức định tuyến lai ghép:

+ Giao thức định tuyến vùng ZRP (Zone Routing Protocol)

s* Định tuyên theo yêu cau:

Ví dụ về một số giao thức định tuyến theo yêu cầu gồm:

+ Giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing)

+ Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc

On-demand Distance Vector routing)

2.2.2 Định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing)

Giao thức DSR là giao thức định tuyến phản ứng (Reactive) sử dụng cơ chế định tuyến nguôn (source routing), nghĩa là bên gửi sẽ biết toàn bộ thông tin về đường đi đến

đích Phan Header của gói dữ liệu sẽ lưu trữ thứ tự các nút mà gói tin cần phải đi qua

để đạt tới đích.

¢ Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery):

se Cơ chế duy trì thông tin định tuyến (Route Maintananee):

2.2.3 Định tuyến vectơ khoảng cách theo yêu cầu (Ad-hoc On Demand Distance

Vector - AODV)

Giao thức định tuyến AODV là một trong những giao thức định tuyến theo cơ chế

phản ứng trong hệ thống mạng MANET Tương tự như giao thức DSR, AODV cũng phát gói tin broadcast để yêu cầu tìm đường khi có nhu cầu.

© Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery):

e Co chế duy trì thông tin định tuyến (Route Maintanance):

2.2.4 So sánh DSR và AODV

AODV và DSR là hai giao thức được sử dụng phô biến nhất trên hệ thống

mạng MANET Nhìn chung hai giao thức đều thực hiện tốt khả năng tìm đường của mình Trong phan này, luận văn sẽ phân tích các đặc điểm giống nhau va

khác nhau của hai giao thức.

e Giống nhau:

Tiến trình khám phá đường đi được thực hiện dựa trên việc gởi quảng bá và nhận phản hồi.

Thông tin định tuyến được lưu trữ tại tất cả các nút trung gian.

Trong quá trình khám phá tuyến đường, các node trung gian đều có khả năng

học đường về đích hoặc ngược về nguồn.

e Khác nhau:

Đối với giao thức DSR, tại mỗi nút luôn duy trì thông tin về toàn bộ đường đi

về đích hoặc về nguồn Đối với giao thức AODV, tại mỗi nút chỉ duy trì thông tin đến các node hàng xóm của nó.

Trong quá trình thiết lập đường dẫn ngược về nguồn (phản hồi gói RREP), AODV có kiêm tra và lựa chọn giá trị Hop_ent nhỏ nhất trong trường hợp có nhiều

đường đến đích Do vậy, đường đi lựa chọn trong giao thức AODV là tối ưu hơn trong DSR.

2.2.5 Cấp phát tài nguyên trong định tuyến

Một giao thức định tuyến đặt ra đường di cho một gói tin từ điểm đầu đến điểm cuối.

Khi việc tối ưu định tuyến dựa trên độ nghẽn tối thiểu hoặc trễ, định tuyến trở nên gắn

liền với điều khiến lưu lượng, thường liên quan lớp truyền tải.

Đại lượng đo lường đối với độ trễ của một tuyến từ node ¡ đến node j, bỏ qua thời gian xử lí và trễ đường truyền như sau:

= “tg

Dig= BIC¡j — đị

Với fij là lưu lượng của tuyến và Cij là dung lượng của tuyến Một đại lượng đo lường khác của tuyến từ node i đến node j là độ khả dụng của tuyến cho như sau:

Đại lượng này có tính chất là tương đương đương với đại lượng đo lường trễ như trên và cũng là hàm tựa lồi đối với lưu lượng và dung lượng, cho phép áp dụng phương

pháp tối ưu lồi hiệu dụng trong tính toán đường đi.

2.3 Bài toán lập lịch trong mạng Ad-hoc không dây

2.3.1 Giới thiệu chung

Trong phần này chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của việc tranh chấp băng thông (tài nguyên) tại lớp MAC và việc tranh chấp tại lớp LLC đối với van đề cân bang thong

lượng giữa các luồng dit liệu trong mang ad hoc.

2.3.2 Giải quyết các tranh chấp tài nguyên tại tang MAC và LLC e Tranh chấp tại tang MAC

Tranh chấp tại tầng MAC là sự cạnh tranh giữa các trạm trong việc sử dụng kênh

truyền thông không dây dùng chung.

e Tranh chấp tại tang LLC

Tranh chấp tại tầng LLC là sự cạnh tranh giữa các luồng dit liệu trong không gian bộ

e Phương pháp lập lịch theo thuật toán FIFO

e Phương pháp lập lịch theo thuật toán Round Robin

e Phuong pháp lập lịch kiểm soát vào/ra (CIOS)

Thuật toán 1 (Kiểm soát các gói tin đi vào hàng doi):

Thuật toán 1: quyết định nhận hoặc bỏ gói tin dé không đưa vào quá nhiều gói tin

trong một hàng đợi Một gói tin đến từ luồng i được đưa vào hàng đợi của nó với xác

suât như sau:

1, if glen; < ave

Pi input — 1 n glen; — ave

(n — l)ave „1Ý glen; > ave

Trong đó: n là số lượng luồng dữ liệu bao gồm cả luồng dữ liệu trực tiếp va chuyển

tiếp; qleni là chiều dài hàng đợi của luồng dữ liệu thứ i; ave là chiều dai trung bình của

tất cả các hàng đợi.

Thuật toán 2: Kiểm soát số lượng các gói tin di ra khỏi hàng đợi

Thuật toán 2: có nhiệm vụ hạn chế việc gửi các gói tin của các luồng dir liệu lớn, nhờ đó sẽ tăng phan băng thông dùng dé nhận dữ liệu Xác suất dé gói tin ra khỏi hang đợi của luồng dữ liệu thứ ¡ sẽ được tính theo công thức:

l, if glen; < ave

Pi output = glen; — ave

l-y , if glen; > ave

(n — | )ave

Trong đó y là hệ số ra khỏi hàng đợi.

2.4 Bài toán đa dạng hóa đường dẫn trong mạng Ad-hoc không dây

2.4.1 Giới thiệu chung

Cơ chế đa dạng hóa đường đi thực hiện phân chia các gói dữ liệu lớp ứng dụng thành các mảnh khi chúng xuất phát từ nút nguồn và thực hiện phân phối các phân

mảnh trên nhiều đường đi song song trong mạng Các gói tin được tập hợp tại nút đích 2.4.2 Cơ chế định tuyến đa đường dẫn

Định tuyến đa đường nhằm mục dich tìm ra nhiều tuyến đường giữa nguồn và nút

đích Những nhiều tuyến đường giữa cặp nút nguồn và đích có thé được sử dụng dé bù

dap và hỗ trợ cho tính chất biến động và không thé đoán trước của QoS trong

MANET Định tuyến đa đường có thể khám phá các nút rời nhau, liên kết phân tách, hoặc các tuyến đường không phân tách.

2.5 Kết luận chương 2

Chương 2 đã trình bày chỉ tiết các nội dung nghiên cứu về van dé cấp phát tài nguyên điển hình trong mạng ad-hoc không dây liên quan đến các bài toán: Bài toán định

tuyến trong mạng Ad-hoc không dây, bài toán lập lịch cấp phát băng thông trong mạng

Ad-hoc không dây, và bài toán đa dạng hóa đường dẫn (Multipath) trong mạng Ad-hoc

không dây.

CHƯƠNG 3: MO PHONG THU NGHIEM

3.1 Giới thiệu một số công cu mô phỏng thử nghiệm cho mang Ad-hoc

3.1.1 Bộ công cụ mô phỏng OMNET++

3.1.1.1 Giới thiệu chung

OMNeT++ là một ứng dụng cung cấp cho người sử dụng môi trường dé tiến hành mô

phỏng hoạt động của mạng.

3.1.1.2 Các thành phan chinh cia OMNeT++

Thư viện phan nhân mô phỏng (simulation kernel)

Trình biên dịch cho ngôn ngữ mô tả hình trạng (topology description language)

NED (nedc)

Trình biên tập đồ hoa (graphical network editor) cho các file NED (GNED).

Giao diện đồ hoa thực hiện mô phỏng, các liên kết bên trong các file thực hiện mô

phỏng (Tkenv).

Giao diện dòng lệnh thực hiện mô phỏng (Cmdenv).

Công cụ (giao diện đồ hoạ) vẽ đồ thị kết quả vector ở đầu ra (Plove) Công cụ (giao diện đồ hoạ) mô tả kết quả vô hướng ở đầu ra (Scalars).

Công cụ tài liệu hoá các mô hình.Các tiện ích khác.

Các tài liệu hướng dẫn, các ví dụ mô phỏng 3.1.1.3 Mô hình mô phỏng trong OMNeT+

Một mô hình trong OMNeT++ chứa các module lồng nhau có cấu trúc phân cấp, trao

đôi thông tin với nhau băng cách gửi các message.

3.1.2 Bộ công cụ mô phỏng Contiki

3.1.2.1 Giới thiệu chung

Hệ điều hành Contiki được thiết kế cho các vi điều khiển có bộ nhớ nhỏ Contiki được sử dụng cho các hệ thống nhúng và các ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.

3.1.2.2 Các thành phan chinh cua Contiki

Contiki duoc chia thanh nhiéu modul hoat động độc lap Nhờ đó các ứng dung có thể sử dụng các modul một cách linh động và chỉ load những modul cần thiết.

3.1.3 Bộ công cụ mô phỏng Atarraya3.1.3.1 Giới thiệu chung

3.1.3.2 Các thành phan chính của Atarraya

Đây là cấu trúc tổng quát bộ mô phỏng bao gồm chuỗi mô phỏng chính, bộ xử ly nút — Node Handler và bộ thực thi bó — BatchExecutor.

Simulation Report | the_sim—

NodeHandler | † | | Simulation Agent }—w

k1 Topology \ Topologya ko “oy »/ Other System

cam newpanel Variables

=| ==

| bu R a Display Manager node

Sensor aed Oata |] | Communicator =—

Management and Renting ( ì

3.1.3.1 Giới thiệu chung

NS2- Network Simulator Version 2: là phan mền mô phỏng mạng điều khiển sự kiện riêng rẽ hướng đối tượng.

3.1.3.2 Các thành phan chinh cua NS2

Các thành phan chính của NS2 gồm:

- Các đối tượng Bộ lập lịch sự kiện