Nghiên cứu kỹ thuật định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng MANET

Phạm Thị Nga

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN HỖ TRỢ HIỆU QUÁ

NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60.52.02.08

TÓM TÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NOI - 2015

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban

Phản biện I:

- Phản biện 2: ccằằằẰ

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ

Có thê tìm hiêu luận văn tai:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Chứng kiến sự ra đời của hàng loạt các giải pháp công nghệ mới nhằm đáp ứng các yêu cầu, tiện ích mới của người sử dụng.Trong đó, mạng tùy biến

không dây MANET được coi là một giải pháp then chốt của mạng không dây

thế hệ mới nhằm mục tiêu cung cấp truy nhập Internet không dây.

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ

thông tin đang ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống

xã hội như kinh tế, giáo dục, xây dựng, y học, việc ứng dụng công nghệ thông tin để giải quyết các công việc thì internet ngay càng khang định được vi trí

quan trọng của mình trong cuộc song xã hội thời hiện đại Con người muốn

mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu mà không cần phải có đường nối Ngày nay chúng ta có thể thấy được sự hiện diện

của mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh viện,

trường hoc hay thậm trí là các quán ca phê Mạng không dây đang có những

bước phát triển nhanh chóng nhăm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất.

Hiện nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với những dịch vụ chất lượng cao, đòi hỏi cần phải có cơ sở hạ tầng đảm bảo cho quá trình truyền

thông trên nhiều môi trường khác nhau Đặc biệt sự ra đời mạng không dây đã

đáp ứng một phần giải quyết cho việc truyền thông trên những địa hình di động mà mạng có dây không thể thực hiện tốt được như đã nghiên cứu trong [4].[5] Mặc khác, có nhiều giao thức định tuyến ra đời đã được trình bay ở [7],[8]

nhằm đáp ứng việc nâng cao chất lượng dịch vụ.

Mạng tùy biến không dây là một hình thái kết nối được ứng dụng phổ biến trong cả lĩnh vực quân sự va thương mại hiện nay.Mặc dù có rất nhiều ưu điểm nhưng mạng tùy biến không dây vẫn tồn tại một số các thách thức lớn

xuất phát từ đặc tính cấu trúc, khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ cho các

ứng dụng Việc thiết lập các tuyến đường chính xác và hiệu quả là một vấn đề quan trọng trong thiết kế mạng di động Ad hoc (MANET), một mục tiêu khó

khăn hơn là cung cấp tuyến đường năng lượng hiệu quả bởi vì trong mạng di động thời gian hoạt động của các node là yếu tố hạn chế quan trọng nhất.

Từ những thách thức đó được sự chỉ dẫn của PGS.TS.Nguyễn Tiến Ban tôi xin phép thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học với tiêu đề: “Nghién cứu kỹ

thuật định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng MANET” Mục đích của luậnvăn là mang lại cái nhìn tổng quan về mạng MANET và các kỹ

thuật định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng MANET.

Ngoài phần mở đầu và kết luận thì luận văn được viết thành ba chương

chính bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về mạng tùy biến không dây Chương này giới

thiệu chung về khái niệm mạng Ad hoc không dây, mô hình của mạng, đặc

điểm kiến trúc và ứng dụng của mạng Ad hoc không dây, chế độ hoạt động và

bản chất hoạt động của mạng Ad hoc không dây, đồng thời chỉ ra những thách thức trong bài toán thiết kế mạng.

Chương 2: Các giao thức dịnh tuyến trong mạng MANET Chương này nghiên cứu về các giao thức định tuyến trong mạng MANET, đặc điểm và nguyên tắc hoạt động của các giao thức định tuyến này.

Chương 3: Định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng trong mạng MANET Chương này nghiên cứu về kỹ thuật định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng

lượng trong mạng MANET Các giao thức định tuyến cụ thể trong mạng MANET từ đó tìm hiểu và xây dựng các cách tiếp cận định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng lượng, đưa ra các phương pháp định tuyến hỗ trợ hiệu quả năng

Kết luận và khuyến nghị Trong phần này đưa ra một số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp tục trong tương lai.

Trong quá trình nghiên cứu, do còn nhiều hạn chế về khả năng và thời gian thực hiện nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong

nhận được sự chỉ bảo của các Thầy Cô giáo, các nhận xét và góp ý của bạn bè, đồng nghiệp đề luận văn được hoàn thiện hơn.

Chuong1 ˆ TỎNG QUAN VE MẠNG TÙY BIEN KHONG

1.1 Tong quan

Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, đời sống con

người ngày càng được nâng cao Việc sở hữu một thiết bị di động như: máy tính

bảng, máy tính xách tay, điện thoại thông minh không còn là quá khó khăn với

nhiều người Điều nay đã tạo điều kiện thúc day mạng không dây phát triển Việc kết nối theo mô hình không dây truyền thống (có sử dụng Access point) đã

không còn xa lạ với mỗi chúng ta nữa Nhưng không phải lúc nào mạng không

dây truyền thống cũng có thé phát huy được hiệu quả Ví dụ như trong vùng

mới xảy ra thiên tai hay ngay trong lớp học, nơi người ta rất cần thiết lập trao

đổi thông tin với nhau Lúc này nếu thiết lập một mạng không day có cơ sở hạ tầng là điều rất tốn kém và không hợp lý Do đó, chúng ta cần thiết lập một

mạng không dây không cần có cơ sở hạ tầng nhưng vẫn đảm bảo cho các thiết bị có thé trao đổi thông tin được với nhau Mô hình đó chính là mô hình của

mạng Ad hoc hay còn gọi là mạng tùy biến không dây.

1.2 Đặc điểm của mạng Ad hoc không dây

Mạng Ad hoc được xem là một mạng con đặc biệt của mạng không dây.

Nó có các đặc điểm như sau:

e Duy trì năng lượng

e Khả năng mở rộnge Bao mật

e Da chặng

1.3 Cau trúc mang Ad hoc không dây

1.3.1 Các thành phan của mang MANET

Do đặc điểm của mang MANET (di động, vô tuyến, không dự tính trước)

nên việc xác định các thành phần của một mạng MANET là rất khó khăn Tại

một thời điểm mang MANET có thé bao gom một số node nao đó, nhưng tại

thời điểm sau đó mạng này có thể chia thành nhiều mạng MANET Sau đó nó có thé nhập lại thành một nhóm mới các node và tạo thành mang MANET lớn

1.3.2 Các chế độ hoạt động của mạng

MANET có hai chế độ hoạt động chính là chế độ cơ sở hạ tầng và chế độ IEEE

Ad hoc.

1.3.3 Bản chất hoạt động của mạng MANET

1.3.3.1 Các mạng gói vô tuyến

Trong mạng gói vô tuyến, mỗi router đều có thé di động và các router có thé hoặc không thé bi phân tách về mặt không gian, do vậy các router không thé giao tiếp trực tiếp với nhau Hai router có thé yêu cầu một hoặc nhiều router trung gian dé chuyền tiếp (định tuyến) các gói tin thay mặt chúng.

1.3.3.2 Mạng gói vô tuyến và mạng Internet

1.3.3.3 Mang vô tuyến và mang MANET

1.4.3 Ung dụng tại vùng sâu vùng xa, nơi xa trung tâm 1.4.4 Ung dụng trong giao thông mang xe cộ

1.4.5 Ứng dung trong quân sự

1.5 Bài toán thiết kế mạng Ad hoc

Khác với các mạng có dây và không dây truyền thống, mạng Ad hoc có

khả năng hoạt động trong một môi trường mạng mà ở đó một số hoặc tất cả các

node là node di động Trong môi trường động này, các chức năng của mạng cần phải tuân theo một chế độ phân tán, do các node có thé biến mất hoặc xuất hiện bat kỳ lúc nào Tuy vậy, nhìn chung các van dé cơ bản đối với việc kết nối và truyền tải dữ liệu sử dụng cho các mạng truyền thống vẫn hoàn toàn có thê áp

dụng cho mạng Ad-hoc.

> Kết nối Internet

> Giải pháp truy nhập

> Vấn đề định tuyến trong mang Ad hoc

> Van đề về duy trì năng lượng cho các node mang > Chat lượng dịch vụ (QoS) trong mang Ad hoc

> Vấn đề bảo mật trong mạng Ad hoc

1.6 Kết luận

Chương l trình bay một số vấn dé cơ bản tổng quan về mang Ad-hoc bao gồm các khái niệm, đặc điểm, một số van dé cần phải quan tâm chú ý trong

mạng Ad hoc và mạng Ad hoc cũng đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong

nhiều lĩnh vực hiện nay như: ứng dụng trong trường hợp khan cấp (thiên tai ),

ứng dụng dịch vụ nhất thời hay được ứng dụng trong lĩnh vực giao thông (mạng xe cd), hơn thế nữa mạng còn có thể được sử dụng trong lĩnh vực quân sự và nhiều lĩnh vực khác.

Đồng thời trong chương này cũng trình bày những khái niệm, tính chất và

các tham số cơ bản của chất lượng dịch vụ và những vấn đề khó khăn trong việc

đảm bao QoS trong mang Ad hoc hiện nay.

Chương2 CAC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG

MẠNG MANET

2.1 Giới thiệu định tuyến trong mạng Ad hoc

Chức năng của thuật toán định tuyến chính là xác định đường đi tốt nhất cho gói tin từ bên gửi đến bên nhận sao cho nhanh nhất và chính xác nhất.

Ngoài ra, có một số đặc điểm khác biệt của mạng Ad-hoc so với các mạng khác như các node mạng có thể di động, dẫn đến kiến trúc mang sẽ bi thay đôi, băng thông của mạng cũng thay đổi liên tục, tốc độ truyền tín hiệu của mạng phụ thuộc nhiều vao tinh chất vật ly của các node mang, giao diện mạng và khoảng cách giữa các node trong mạng Chính những đặc điểm này làm cho việc thiết kế các giao thức định tuyến cho mạng Ad-hoc là một bài toán rất khó.

Bởi vậy các giao thức định tuyến được thiết kế cần xét đến các tính năng

cơ bản sau:

e Điều khiển tối đa

e Hạn chế tối đa quá trình xử lý

e Khả năng định tuyến đa chặng e_ Bao trì đồ hình động

e Ngăn ngừa truyền lặp

2.2 Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến trong mạng Ad hoc

không dây

Một số yêu cầu với các thuật toán định tuyến cho mạng Ad hoc như sau:

Thuật toán: phải được thiết kế sao cho phù hợp với tính động của kiến trúc mạng và các liên kết bất đối xứng.

Hoạt động phân tán: cách tiếp cận tập trung cho mạng Ad-hoc sẽ thất

bại do sẽ tốn rất nhiều thời gian dé tập hợp các thông tin trạng thái hiện tại của

mạng để tính toán rồi lại phát tán lại nó cho các node mạng Trong thời gian đó, cau hình mạng có thé đã thay đổi rất nhiều.

Tính toán đến vấn đề năng lượng và băng thông của mạng: Băng thông của mạng cũng cần được tính đến để tránh gây lãng phí băng thông

không cần thiết.

Không để xảy ra hiện tượng lặp định tuyến: Hiện tượng này xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin di chuyển lòng vòng quanh mạng trong một khoảng thời gian nào đó Giải pháp đưa ra có thể là sử dụng bộ đếm chặng trong mỗi gói tin.Mỗi khi gói tin di chuyên đến một node mạng mới, bộ đếm chặng sé tăng lên một, và đến một giá trị nào đó thì gói tin sẽ bị loại bỏ.

Thiết lập những vùng mạng nhỏ: Nếu các node mạng đơn di chuyển nhanh hon thì các vùng mạng lại ôn định hơn Do đó, định tuyến trong các vùng mạng sẽ đơn giản hơn rất nhiều.

Bảo mật

2.3 Các giao thức định tuyến điển hình

2.3.1 Định tuyén theo bảng ghi

DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) là một biến thé của giao thức định tuyến theo vectơ khoảng cách theo kiểu bảng ghi, dựa trên ý tưởng của thuật toán định tuyến kinh điển Bellman-Ford với cải tiến mới của DSDV là sử dụng kĩ thuật đánh sé sequence number, ki thuat nay dung dé nhận ra các con đường đi không còn giá trị trong quá trình cập nhật bảng đinh tuyến, do đó sẽ tránh được vòng lặp trong quá trình định tuyến Mỗi node sẽ tăng số sequence number khi gởi thông tin về bảng định tuyến của nó cho các node

khác trong mạng.

2.3.1.1 Đặc điểm trong DSDV

DSDV phụ thuộc vào thông tin quảng bá định kỳ nên nó sẽ tiêu tốn thời gian dé tổng hợp thông tin trước khi đường định tuyến được đưa vào sử dụng.

2.3.1.2 Các cơ chế trong DSDV a) Quản lý bảng định tuyến

Thông tin trong bảng định tuyến bao gồm:

+ Dia chỉ của node đích

+ Số bước nhảy (hop) đến đích (bộ đếm bước nhảy - hop count)

+ Bước nhảy tiếp theo (Next hop)

+ Số sequence number của node đích

b) Cách thức cập nhật bảng định tuyên

Bảng định tuyến cập nhật theo 2 cách:

+ Cập nhật toàn bộ bảng định tuyến cho các node láng giềng và có thể truyền trong nhiều gói gọi là full-dump.

+ Cập nhật các thành phần thay đổi trong bảng định tuyến của nó cho các node lân cận và các thông tin thay đổi đó chỉ được gửi đi trong một gói Cách

thức cập nhật này gọi là incremental-update.

c) Quản lý sự thay doi topology

Khi một node di chuyển từ noi nay đến nơi khác thì các liên kết của nó với các node lân cận có thể không còn hiệu lực Khi node phát hiện rằng liên kết đến node tiếp theo (bước nhảy tiếp theo — next hop) không tồn tại, thì đường đi thông qua bước nhảy tiếp theo đó lập tức sẽ có bộ đếm bước là vô cùng và số

sequence number lại được tăng lên 1.

Sau đó node sẽ phát quảng bá thông tin đó cho tất cả các node trong mạng

và các node trong mạng sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của mình.

2.3.1.3 Hoạt động của DSDV

2.3.1.4 Mở rộng phạm vi hoạt động nhờ cơ sở trung tâm DSDV

2.3.2 Định tuyến theo trạng thái liên kết toi wu

Giao thức định tuyến trạng thái đường liên kết tối ưu (OLSR) là sự biến đổi của định tuyến trạng thái đường liên kết truyền thống, nó giúp cho quá trình

thao tác trong mang Ad Hoc được cải thiện.

2.3.2.1 Đặc điểm trong OLSR

Đặc tính nổi bật của OLSR là nó sử dụng bộ chuyên tiếp đa điểm MPRs

dé hạn chế tràn ngập dung lượng mạng va dung lượng cập nhật trạng thái đường

liên kết.

2.3.2.2 Hoạt động của OLSR

Mỗi node sẽ tính lượng MPRs của nó từ khi thiết lập với các hàng xóm.

MPR thiết lập cho một node là tập hợp các node hàng xóm của nó bao

gồm các node có số chặng truyền hai bước kế tiếp của node đó.

Khi bộ MPR của mỗi node được lựa chọn, các đường định tuyến trong mạng có thê sẽ được xác định Do OLSR là giao thức định tuyến theo bảng nên mỗi node luôn duy trì đường truyền tới các node khác trong mạng Với những thông tin về truyền quảng bá, các node sẽ định kỳ trao déi bản tin truyền quảng bá đó với các node hàng xóm của nó Bản tin truyền quảng bá được các node ghi nhận sẽ liệt kê tập hợp các node hàng xóm lựa chọn dé gửi như một MPR.

Điều này được gọi là bộ chọn lọc chuyên tiếp đa điểm MPRs của mỗi node.

2.3.3 Định tuyến vectơ khoảng cách theo yêu cầu 2.3.3.1 Tổng quan về giao thức AODV

Giao thức AODV sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn mới so với các

phương pháp truyền thống dé xây dựng các đường đi trong mạng.

AODV quản lý các thông tin về đường đi theo kiểu phân tán.

2.3.3.2 Cơ chế hoạt động

a) Tiến trình tìm kiếm (Discovery)

b) Tạo Route Request

c) Chuyên tiếp RREQ

đ) Tạo Route Relay

e) Chuyén tiếp Route Relay

2.3.3.3 Quan lý kết nối cục bộ

Quá trình giám sát có thể được thực hiện theo hai phương pháp khác

nhau: Proactive hoặc Reactive.

Đối với phương pháp Proactive, nó sẽ sử dụng một số kiểu hoạt động đề

phòng Mỗi node mạng sẽ liên tục giám sát trạng thái thực tế của các node lân

cận băng cách cập nhật bản đồ kết nối cục bộ (local connective map).

Phương pháp giám sát thứ hai được gọi là phương pháp Proactive Điều nảy có nghĩa là các liên kết bị phá vỡ chỉ bị phát hiện khi có sự cố truyền dữ

2.3.3.4 Duy trì đường đi

Khi một lỗi kết nối được phát hiện, các node mạng sẽ lan truyền ngược

gói tin báo lỗi route error ( RERR) Gói tin RERR chứa danh sách các node

đích bị mat và số thứ tự tương ứng của chúng được tăng lên 1 Khi nhận được

một gói tin RERR, các node chịu ảnh hưởng sẽ cập nhật lại bảng định tuyến của

2.3.3.5 Thời gian hết hạn và việc hủy bỏ một đường đi

Trong mô hình AODV nếu một đường đi có trạng thái tích cực không

được sử dụng sau một thời gian nhất định nó sẽ bị hủy bỏ 2.3.4 Định tuyến nguồn động

Giao thức định tuyến nguồn động (DSR) tương tự như AODV nó là giao thức định tuyến theo nhu cầu với việc khám phá tìm tuyến đường Tuy nhiên nó có vài chỗ khác cơ bản Một trong những điểm tiêu biểu của DSR là một giao

thức định tuyến nguồn, thay vì truyền theo chặng các gói dữ liệu chứa đựng các tuyến nguôn nhất định mà nó chỉ ra mỗi node doc theo đường truyền tới đích.

Khi một node trên đường định tuyến tới đích nhận được RREQ nó sẽ trả

lời băng việc tạo ra một RREP.Nếu nó là node đích thì nó đặt node nguồn đã được gom RREQ vào trong RREP.Ngược lại nếu node đó là node trung gian thì nó nối đường định tuyến nguồn tới dich để gom tuyến trong RREQ với tuyến mới trong RREP.Từ lúc này trong mỗi bản tin có chứa đựng đầy đủ tuyến giữa nguồn và đích.Tuyến nguồn trong RREP được đảo ngược và RREP được gửi

tới node nguồn Khi các node trung gian nhận và xử lý RREP chúng có thé tạo ra hoặc cập nhật bang đữ liệu định tuyến cho từng node doc theo tuyến nguồn.

2.3.5 Định tuyến vùng

Giao thức định tuyến vùng (ZRP) tích hợp tất cả các thành phần của định tuyến theo bảng và định tuyến theo yêu cầu.

Định tuyến vùng ZRP định nghĩa giao thức định tuyến trong vùng IARP IARP là một giao thức trang thái đường liên kết nó cập nhật thông tin mới nhất về tất cả các node trong vùng này ZRP sử dụng giao thức định tuyến IERP dé khám phá tuyến tới các node đích lằm bên ngoài vùng.

2.4 Kết luận chương

Như vậy, trong chương hai đã nêu lên một trong số những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng của mạng đó chính là việc truyền các gói tin từ điểm đầu

tới điểm cuối sao cho nhanh và chính xác nhất.Qua đó chúng ta thay được sự quan trọng của bộ định tuyến trong mạng Trong chương này cũng nêu ra các

yêu cầu đối với các thuật toán định tuyến trong mạng Ad hoc đồng thời cũng đưa ra một số giao thức định tuyến điển hình như: định tuyến theo vectơ khoảng cách (DSDV), định tuyến theo trạng thái liên kết tối ưu (OSLR), định tuyến vectơ khoảng cách theo yêu cầu (AODV), định tuyến nguồn động (DSR) và

giao thức định tuyến vùng (ZRP).