Ứng dụng công nghệ ̣tác tử nâng cao hiêụ năng của giao thức AODV trong mạng MANET

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONGa ĐÀO MẠNH LINH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÁC TỬ NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC AODV TRONG MẠNG MANET Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 60.48.01.0

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

a

ĐÀO MẠNH LINH

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TÁC TỬ NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA

GIAO THỨC AODV TRONG MẠNG MANET

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 60.48.01.04

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIÊN THONG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG VĂN CHUYÉT

Phản biện 1: PGS.TS Trần Dinh Khang

Phản biện 2: TS Trịnh Anh Tuấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện

Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 14 giờ 30 ngày 27 tháng 02 năm 2016

Có thé tìm hiéu luận văn tại:

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

LỜI CAM ĐOAN

Các nội dung được đưa ra là tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến công

nghệ mạng không dây và mang MANET ở trong va ngoài nước.

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bồ trong bat kỳ công trình nào khác

Tác giả

Đào Mạnh Linh

LOI CAM ON

Luận văn thạc sĩ hệ thống thông tin “Ứng dụng công nghệ tac tử nâng cao

hiệu năng của giao thức AODV trong mang MANET” được hoan thành trong

thời gian học tập và nghiên cứu tại Học viện Bưu chính Viễn Thông Đề có đượckết quả này, trước hết tôi xin chân thành cảm ơn và biết ơn sâu sắc đến thầy giáohướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Chuyết người đã định hướng nghiên cứu và hướngdẫn tôi thực hiện nghiên cứu luận văn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Học viện công nghệ Bưu chính Viễn Thông đã tạođiều kiện hỗ trợ, giúp đỡ cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu luận văn

Xin chân thành cảm ơn các góp ý của các nhà khoa học giúp tôi hoàn thiện

luận văn

Cuối cùng tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến mẹ tôi cùng tất cả người thân

trong gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ ủng hộ, động viên tôi dé tôi hoàn thành luận

van.

Hà nội, thang 12 năm 2015

Đào Mạnh Linh

MUC LUC

/009.00001n 1CHUONG I: TONG QUAN VE MẠNG MANET . c2ccccccccccrrreerrre 3

1.1 Téng quan về mang MANET .0 c.cccccessessesssessessessecssessessessvcsscesessessesseessesseeses 3

1.1.1 Khái niệm cơ Dan oo ccc ccccccccssccecssseceesscceesseecessseecesseeceesseeeesseeeesaes 3

1.1.2 Lịch sử phat triỂn ©2¿©-+¿+2++2EESEEESEECEEEEEEEEkrerkrrrkrrrree 31.1.3 Cấu trúc mạng MANEET - tSt+SE‡EEEEE2EE2EEEEEEEEEEEEEEEkerkrrkrreee 31.1.4 Đặc điểm của mạng MANETT -.- c3 32tr ree 4

1.1.5 Ung dụng của mạng MANETT 2+2e+E+£E+£E++EESEEerEerrerrkerkeee 4

1.2 Một số các giao thức định tuyến trong mạng MANET -: s- 4

1.2.1 Giao thức định tuyến DSIDV -2- 5c S+‡E E2 2E EEEEEEEEEEerrrrreee 4

1.2.2 Giao thức định tuyến DSR -2-©5¿+52+EE+EE‡EEEEE2EEEEEerErrrrrkerkeee 4

1.2.3 Giao thức định tuyến AODV -¿26-22+22xt2Ek2EEEEEEEkrerkrrrrerrree 51.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng trong mạng MANETT -. 5

1.4 Cac phương pháp và tiêu chí đánh giá hiệu năng mạng - ‹ 5

1.4.1 Cac phương pháp đánh giá hiệu năng - 5 c5 35+ *+s+sesssxeerxes 5

1.4.2 Tiéu chi 2 5

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ TÁC TỬ VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG

TRONG MẠNG MANET, SH HH 9n TH HH HH TH nh nh ng 7

2.1 Giới thiệu công nghệ tác fỬ - - sư nnưy 7

2.1.1 Khái niệm tác tỬ -Ă E1 1192311 ng ng key 7 2.1.2 Tác tử di động (mobile agent) ec ceceeseseeseeseeeseeeseeeseeseeeseeeseeseeeseeees 7

2.1.3 Các tinh chất của tác tử di động - + 2+cz+EcEeEEerEerkerkerxrrerree 7

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của tác tử di động - - 55 cS- + sssseres7 2.2 Mô hình hoạt động của tac tử trong mạng MANET - -«+- 8

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của tác tử -ccc+ccxtrrrktrrtrrirrrtrirrrrrirrrirrrio 8

2.2.2 Cấu trúc của hệ thống tác tlt .oeeceecceccesessessessesssssessessessecssessessesseessesseeaes 8

2.3 Giải pháp cải tiến nâng cao hiệu năng định tuyến -552c5¿ 9

2.3.1 Cấu trúc của các tác tử định đường trong mạng MANET 9

2.3.2 Giải pháp nâng cao hiệu năng giao thức AODV trong mạng MAET .10

2.4 Thiết lập tác tử nâng cao hiệu năng định đường giao thức AODV 11

2.4.1 Mô hình thiết lập tác tử trong giao thức AODV -¿ -: 11

2.4.2 Mô hình bai toán ứng dụng tac tỬ Ăn it 14

CHƯƠNG III: MÔ PHONG VÀ ĐÁNH GIÁ - -: 55ccccccvvvrcrrrrrrrrrrre 18

3.1 GiGi thiGu NS-2 eee cceeceseesceeeseeseeeseeeesesseeeesecseseesesaeeeseeaeeecaesaeeeeaeeatenees 18

3.1.1 TOmg Quan .occccccscccscsssesssesssessesssecssecssessscssscssscsscssecsseesscssecssecssseseessecsneess 18

3.1.2 Cac đặc tính của NŠ-2 G Q11 11H11 vn vườn 19 3.1.3 M6 phong 0/017 19 3.2 Mô phỏng hoạt động giao thức AODV trong mang MANET 19

3.3 Mô phỏng hoạt động giao thức AODV sau khi cải tiến - 20

3.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm mô phỏng 2-2 5¿©5225<+£s+zxz>s+2 2145000) 23IV.100I2089:72))8.4.7 6 0 24

DANH MỤC CÁC TU VIET TAT

1 ACK Acknowledgement Xác nhận

2 AODV Ad hoc On demand Giao thức định tuyến vector

Distance vector khoang cach theo yéu cau

3 BA Back Agent Tra lời tac tử

4 CBR Constant Bit Rate Lưu lượng tốc độ bit 6n định

5 CPU Central Processing Unit Don vi xử lý trung tâm

ae Giao thức định tuyến vector

6 DSDV Destination Sequeced khoang cach theo tht tuDistance Vector ,

dich

7 DSN Destination Sequeced Số thứ tự đích

Number

8 DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuye nguonđộng

9 FA Forword Agent Chuyên tác tử

10 ID Identify Dinh danh

11 Kbps Kilo bits per secound Kilo bit trên giây

12 LAN Local ArBA Network Mang cục bộ

13 MAC Medium Access Control Điều khiên truy cập lớptrung gian

14 |MANET| Mobile Ad hoc Network Mang di động tùy biến

15 Mbps Mega bits per second Mê ga bit trên giây

16 ETT Expected Transmission Thời gian truyền dự kiếnTime

17 ETX Expected Transmission Số lần truyền dự kiếnCount

18 RRER Router Error Gói tin lỗi lộ trình

19 RREP Route Reply Gói tin tra lời lộ trình

20 | RREQ Route Request Goi tin yéu cau 16 trinh

21 T- T-Ad hoc On demand vac _ the am tuyen

AODV Distance vector vector Khoa x eo yeu

22 TCP Transmission Control Giao thức điệu khiên truyên

Protocol vận

23 | TORA Temporally Ordered Giao thức định tuyên phân

Routing Algorithm bô không lặp vòng

24 TTL Time To Live Thời gian sống

25 UDP User Datagram Protocol Giao thức hướng thông điệp

26 | WLAN | Wireless Local Are Network Mang cục bộ không dây

MO DAU

Tinh cap thiét của dé tai:

Ngày nay, cùng với sự bùng nỗ của công nghệ thông tin va sự phat triển mạnh mẽcủa mạng không dây, các thiết bị di động như: Laptop, smartphone, tablet, vvv., nhu cầu kết

nối giữa các thiết bị này cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ và khả năng kết nối

Mạng di động tùy biến (MANET) là một trong những công nghệ vượt trội đáp ứng nhu cầu

kết nối đó nhờ khả năng hoạt động hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cốđịnh, với chi phí hoạt động thấp, trién khai nhanh chóng và có tính di động cao

Dé khai thác hiệu quả tài nguyên của hệ thống mạng không dây, việc nghiên cứu cácgiao thức điều khién như định tuyến, báo hiệu là điều cần thiết Đối với một số ứng dụng đòihỏi tính di động cao và mật độ truyền lớn thì khả năng đáp ứng của các cơ chế định tuyếntheo yêu cầu như AODV [11], DSR [12] vẫn còn một số hạn chế Vì vậy, các nhà nghiêncứu đã cố gắng nâng cao tính sẵn sàng và tin cậy trong bài toán định tuyến theo yêu cầu déđáp ứng nhanh với sự di động của hệ thống Một trong những giải pháp đó là sử dụng tác tử

di động.

Việc tích hợp tác tử di động vào điều khiến các giao thức định tuyến trong mạngMANET nhằm cải thiện hiệu năng của chúng là điều cần thiết và có ý nghĩa quan trọng góp

phan tăng hiệu quả của giao thức định tuyến Do đó em đã chọn đề tài luận văn là:” Ứng

dụng công nghệ tác tử nâng cao hiệu năng của giao thức AODV trong mạng MANET”.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Tác tử (Agent) là một thực thé vật lý hoặc logic trong đó các tiến trình gọi là Agent

có tính tự trị và khả năng di động từ nút mạng này đến nút mạng khác dé hoàn tất tác vụ Ytưởng chính của tác tử là khả năng truyền thông trực tiếp với các tác tử khác hoặc với nút

mạng được di chuyền xử lý đến gần nguồn dit liệu, nhờ đó có thé giảm tai mạng, khác phục

tình trạng trễ, hỗ trợ xử lý không đông bộ và tạo ra sự tương thích trên các môi trường

không đồng nhất

Một số nghiên cứu đã công bố đề xuất các giải pháp cải tiến giao thức định tuyến

theo yêu cầu, theo bản ghi và theo giao thức định tuyến kết hợp Kết quả cho thấy việc cảitiễn các giao thức tập trung vào van đề tắc nghẽn tại các nút, độ trễ và kha năng kết nối Tuynhiên, việc cải tiến chỉ giải quyết một số trường hợp cụ thể chưa giải quyết hiệu quả khi mật

độ các nút tăng cao và di chuyên nhanh

Vì vậy, nghiên cứu về cải tiên các giao thức định tuyên ứng dụng các tác tử trong

mạng MANET là vấn đề được nhiều nhóm nghiên cứu tiếp tục quan tâm và để xuất hiện

nay.

Mục đích nghiên cứu.

Tìm hiểu về giao thức AODV trong mạng MANET và công nghệ tác tử

Nghiên cứu giải pháp cải tiễn nâng cao hiệu năng của giao thức AODV

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về mang MANET, giao thức AODV

Nghiên cứu tìm hiểu về công nghệ tác tử

Phương pháp nghiên cứu.

Mô phỏng đánh giá hoạt động giao thức AODV sử dụng phần mềm Ns2

Đánh giá kêt quả thử nghiệm và hoàn thiện.

CHƯƠNG I: TONG QUAN VE MẠNG MANET

1.1 Téng quan vé mang MANET.

1.1.1 Khái niệm cơ bản.

Mang Mobile Ad Hoc Network là một hệ thống những điểm mạng không day trong

đó những điểm mạng (nut) có thé di chuyền tự do và tự tô chức thành mô hình mang bat

kỳ và mang tính nhất thời, cho phép người sử dụng có thể cấu thành một

internetwok mà không đòi hỏi bat kỳ cơ sở hạ tang nao về van dé thông tin liên lạc

1.L2 Lịch sử phát triển.

Nguyên lý làm việc của mạng Adhoc bắt nguồn từ năm 1968 khi các mạng ALOHAđược thực hiện Tuy các trạm làm việc là cô định nhưng giao thức ALOHA đã thực hiệnviệc quản lý truy cập kênh truyền dưới dang phân tán, đây là cơ sở lý thuyết dé phát triển kỹ

thuật truy cập kênh phân tán vào mạng Adhoc.

Năm 1973 tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên mạng vô tuyến gói tin PRnet.Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên

Mỗi nút mạng có một giao diện vô tuyên va giao tiép với nút mạng khác thông qua

sóng vô tuyến hoặc tia hồng ngoại Topo mạng thay đổi liên tục khi các nút mạng tham gia

hoặc rời khỏi mạng hay khi kết nối vô tuyến trở nên không còn thích hợp Mạng ad hoc

được hình thành bởi các nút di động có khả năng phát hiện ra sự có mặt của những nút khác

“_ Trong mạng cảm biến không dây

1.2 Một số các giao thức định tuyến trong mạng MANET.

1.2.1 Giao thức định tuyến DSDV.

DSDV là một biến thé của giao thức định tuyến theo vecto khoảng cách theo kiểubản ghi, dựa trên ý tưởng của thuật toán định tuyến kinh điển Bell-man-Ford với cải tiếnmới của DSDV là sử dụng kĩ thuật đánh số sequence number, kĩ thuật này dùng dé nhận racác con đường đi không còn giá trị trong quá trình cập nhật bảng đinh tuyến, do đó sẽ tránhđược vòng lặp trong quá trình định tuyến Mỗi nút sẽ tăng số sequence number khi gởithông tin về bảng định tuyến của nó cho các nút khác trong mạng

1.2.2 Giao thức định tuyến DSR.

Giao thức định tuyến DSR là giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu dựa trênkhái niệm về định tuyến nguồn Các nút được yêu cầu đảm bảo bộ đệm lộ trình chứa các lội

trình từ nút nguong mà nút biết đến Các đầu vào trong bộ đệm lộ trình được cập nhật liên

tục khi có các lộ trình mới được biét.

1.2.3 Giao thức định tuyến AODV.

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

truyền thống để xây dựng các đường đi trong mạng Khi một nút mạng muốn gửi một gói tin

tới một nút nao đó, nó sẽ khởi tạo tiến trình xử lý (discovery) để xác định nút đích Nếu

không có một đường đi nào được tìm thấy trong một khoảng thời gian xác định, nút khởi tạo

sẽ cho răng không ton tai đường đi tới nút đích Tiến trình xử ly discovery sẽ kết thúc đồngthời các gói tin tương ứng sẽ hủy bỏ Ngược lại nếu nút khởi tạo tìm được một đường đi phù

hợp, nó sẽ cập nhật đường đi này vào bảng định tuyến của nó như một đầu vào tương ứng

với nút đích.

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng trong mạng MANET.

= Phụ tải điều khién tối thiêu (minimal control overhBAd

“ Phụ tải xử lý tối thiểu (minimal processing overhBAd

= Khả năng định tuyến đa chặng (multihop routing capability

1.4 Các phương pháp và tiêu chí đánh giá hiệu nang mang.

1.4.1 Các phương pháp đánh gia hiệu nang.

đường truyền không tốt hoặc có thé do tắc nghẽn tại một nút nao đó

"_ Thông lượng truyền

Thông lượng (throughput) là lượng thông tin hữu ích được truyền đi trên mạng trongmột đơn vị thời gian và là chỉ số dé đánh giá mạng nhanh hay chậm Là băng thông thực sự

mà các ứng dụng mạng được sử dụng trong một thời gian cụ thé (thông lượng có thé được

biến đổi theo thời gian).

“Tỷ lên phân phát gói tin.

Tỷ lệ phân phát gói tin là tỉ lệ số gói tin được gửi đi thành công đến đích trong một

đơn vị thời gian Khi tỷ lệ phân phát gói tin thành công càng cao thì lộ trình, tốc độ truyền

của gói tin là tốt nhất

Kết luận chương 1: Trong chương này tác giả đã giới thiệu tổng quan về mạngMANET, giới thiệu một số giao thức như DSDV, DSR và AODV trong mang MANET

Đưa ra các yêu tố ảnh hưởng đến hoạt động của mạng các phương pháp đánh giá Từ đó xác

định các tiêu chí đánh giá hoạt động của giao thức trong mạng.

CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ TÁC TỬ VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO

HIEU NANG TRONG MANG MANET

2.1 Giới thiệu công nghệ tác tử.

2.1.1 Khái niệm tác tử.

Tác tử là một hệ thống tính toán có khả năng hoạt động một cách tự động và linhhoạt trong môi trường động, mở và không biết trước [9] Một tác tử được yêu cầu thực hiệncác nhiệm vụ rất nhỏ và xác định Trên Internet, tác tử (còn được gọi là tác tử thông minh)

là một chương trình mà có thể thu thập thông tin hoặc thực hiện một vài dịch vụ khác theo

một lịch trình đêu đặn mà không cân sự có mặt của con người.

2.1.2 Tac tw di động (mobile agent).

Tac tử di động là một tac tử có khả năng di chuyên một cách tự trị từ nút mạng nàysang nút mạng khác va thực hiện các xử lý đại diện cho con người để thực hiện các công

việc được giao Khi di chuyên, các tác tử di động đóng gói mã nguồn, dữ liệu và cả trạng

thái thi hành, nhờ vậy tác tử di động có thể dừng việc thi hành đang thực hiện tại nút này, dichuyên sang nút khác và khôi phục lại sự thi hành tại nút (máy) đích

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của tac tử di động.

= Vong đời cua một tác tử di động.

Mọi tác tử di động đều thực hiện tuần tự theo logic: Đầu tiên, tác tử được tạo ra, ditrú từ nút này sang nút khác theo lịch trình, thực hiện các nhiệm vụ được giao và cuối cùng

bị huỷ sau khi đã hoàn thành nhiệm vụ.

" Cơ chế di chuyển

Tác tử sẽ tự quyết định đóng gói và di trú đến môi trường khác để thực thi là đặcđiểm nổi bật của tác tử di động Khi có nhu cầu di trú tác tử sẽ tạm dừng thực thi mã, thực

hiện lưu trạng thái của đối tượng (có thể có khả năng lưu lại cả trạng thái thi hành) Sau khi

mã hoa dữ liệu tác tử sẽ được truyền đi trên hệ thống mạng Khi đến đích, tác tử sẽ thực

hiện các bước ngược lại với bên gửi để khôi phục lại trạng thái của tác tử và tiếp tục thực

hiện nhiệm vụ.

2.2 Mô hình hoạt động của tac tử trong mang MANET.

2.2.1 Cầu trúc cơ bản của tác tử.

Trong mạng MANET một tác tử di động thường được định nghĩa có 4 trường chính như sau:

Agent = <State, Input, Output, Process>

Trong đó:

State: Trạng thái của tác tử bao gồm các thuộc tính

Input, Output: Tập các trạng thái dữ liệu đầu vào và đầu ra

Process: Tiến trình thực thi làm thay đối trang thái của tác tử

2.2.2 Cấu trúc của hệ thong tác tử.

Một hệ thống tác tử trong mang MANET thường được được ding nghĩa có 3 trường

chính như sau:

Agent System = <Agent, Environment, Coupling>

Trong do:

Environment = <State, Process>: Tién trinh riêng của môi trường tác tu thực hiện, dé

có thé làm thay đổi trạng thái của nó

Coupling: là một ánh xạ Input và Output của một tac tử đến trạng thái của môi trường