asr fanet khung định tuyến thích ứng dựa trên sdn cho fanet

So với mạng tùy biến di độngMANET và mạng phương tiện tùy biếnVANET, FANET có các đặc điểmđộc đáo như tính di động cao, liên kết gián và cấu trúc liên kết thay đổi liên tục,chính điều nà

Mạng máy tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

──────── * ───────

ASR-FANET: KHUNG ĐỊNH TUYẾN THÍCH ỨNG DỰA TRÊN SDN CHO FANET

Môn: Mạng máy tính

Nhóm 2

Sinh viên thực hiện : Lê Văn Duẩn 20207662

Nguyễn Đức Tuân 20207705

Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đức Toàn

Mạng máy tính-Nhóm 2

CONTENTS

MỞ ĐẦU 2

1 GIỚI THIỆU 2

2 BÁO CÁO LIÊN QUAN 5

3 KHUNG ĐỀ XUẤT 7

4 ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT 9

4.1 Thiết lập mô phỏng 9

4.2 Kết quả và phân tích 10

5 KẾT LUẬN 14

THAM KHẢO 14

1

MỞ ĐẦU

Mạng không trung tùy biến (FANET) được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng quân sự, thương mại và dân sự So với mạng tùy biến di động (MANET) và mạng phương tiện tùy biến(VANET), FANET có các đặc điểm độc đáo như tính di động cao, liên kết gián và cấu trúc liên kết thay đổi liên tục, chính điều này gây ra một nhiệm vụ khó khăn trong việc thiết kế các giao thức định tuyến Nhằm giải quyết thách thức trên, bài viết này sẽ đưa ra một khung định tuyến thích ứng trên nền tảng SDN cho FANET, viết tắt là ASR-FANET ASR-FANET chủ yếu bao gồm ba phần quan trọng, bao gồm: cơ chế khám phá cấu trúc liên kết, cơ chế thu thập số liệu thống kê và cơ chế tính toán tuyến đường Cơ chế khám phá cấu trúc liên kết có nhiệm vụ thu thập các thông tin định kỳ về cấu trúc mạng, bao gồm các nút và liên kết Cơ chế thu thập số liệu thống kê sẽ thu thập thông tin về trạng thái kết nối mạng không dây và thống kê chuyến bay Cuối cùng, cơ chế tính toán tuyến đường tính toán đường dẫn tối ưu dựa trên chi phí liên kết Hiệu suất của ASR-FANET cũng sẽ được đánh giá bằng các mô phỏng toàn diện Mô phỏng cho thấy framework được đề xuất ở trên cho ra kết quả tốt hơn nhiều so với các giao thức truyền thống khác về tỉ lệ truyền thành công, độ trễ đầu cuối trung bình, tải định tuyến chuẩn hóa, mất gói tin và thông lượng

1 GIỚI THIỆU

Máy bay không người lái (UAV), còn được gọi là drones, đóng một vai trò quan trọng trong các ứng dụng về dân sự và quân sự khác nhau như trinh sát, giám sát giao thông, giám sát chiến trường, giám sát biên giới, giám sát cháy rừng, theo dõi động vật, quan sát nhân đạo [1] Thay vì sử dụng một UAV cỡ lớn, việc sử dụng một đàn UAV cỡ nhỏ cho thấy nhiều lợi thế về hiệu quả, khả năng thích ứng, tính linh hoạt và triển khai dễ dàng [2] Việc sử dụng nhiều UAV, là nền tảng giúp tạo nên một loại mạng mới được gọi là mạng không trung tùy biến (FANET) [3], [4]

FANET có thể được coi là một lớp con đặc biệt của mạng tùy biến di động (MANET) trong đó các nút kết nối là UAV [5] Do đó, một UAV duy nhất không thể được coi là FANET và mà phải là nhiều UAV Cũng không phải cứ 1 mạng đa UAV là được coi là FANET Giao tiếp giữa các UAV với nhau phải theo một cách đặc biệt để tạo nên FANET [6] Ngoài ra, FANET cũng có thể

được phân loại là một nhóm con của mạng phương tiện tùy biến(VANET), cũng

là một lớp con của MANET

Hình 1 cho thấy mối quan hệ giữa FANET, VANET và MANET [3], [7]

Hình 1 Mạng lưới MANET, VANET và FANET

Sự khác biệt nhất định giữa FANET và các mạng tùy biến khác (MANET và VANET), là cấu trúc liên kết động của mạng, tốc độ của các nút và tính di động của các nút Ngoài ra, FANET khác với MANET và VANET về kết nối, QoS, đặc điểm di chuyển của nút và phân phối dữ liệu So sánh giữa MANET, VANET và FANET với các tiêu chí khác nhau được đưa ra trong Bảng 1 [8], [9]

Mô hình di động Tùy ý Ổn định mô hình di động đặc biệt cho các hệ thống đaThường được xác định trước, ngoại trừ các

UAV độc lập

Thay đổi cấu trúc

Mô hình truyền sóng

vô tuyến

Rất gần mặt đất, LoS

không thể truy cập được

cho mọi trường hợp

Gần mặt đất, LoS không thể truy cập được cho tất cả các trường hợp

Cao so với mặt đất, LoS có thể truy cập được cho hầu hết các trường hợp Mức tiêu thụ điện

năng và tuổi thọ mạng Cần có các giao thứctiết kiệm năng lượng Không cần thiết Cần thiết cho UAV mini, UAV cỡ nhỏ

Bảng 1 Sự khác biệt giữa FANET, VANET và MANET

Các nút FANET (UAV) được sử dụng để thu thập dữ liệu từ internet vạn vật (IoT) dưới dạng bộ thu thập di động [10] Thật vậy, mỗi một UAV trong FANET có thể đóng một vai trò quan trọng trên IoTs, bao gồm các thiết bị trang

bị cảm biến dung có dung lượng pin nhỏ [11] Các thiết bị này thường không thể phân tán được trong một khoảng cách dài, do giới hạn về năng lượng của các thiết bị IoT Do đó, UAV sẽ di chuyển linh hoạt về phía các thiết bị IoT, thu thập dữ liệu và truyền dữ liệu đó sang các UAV khác trong mạng FANET nằm ngoài phạm vi giao tiếp của các thiết bị IoT [12], như trong Hình 2

Hình 2 Mạng UAV-IoT

Định tuyến là một trong những vấn đề thách thức nhất đối với FANET vì các đặc điểm đặc biệt của FANET như phương sai cấu trúc liên kết mạng nhanh, tính di động cao và liên kết không liên tục giữa các nút UAV [13] Các giao thức định tuyến MANET và VANET hiện tại không thể đáp ứng tất cả các yêu cầu của FANET vì cấu trúc liên kết FANET sẽ thay đổi thường xuyên hơn so với cấu trúc liên kết MANET và VANET tiêu chuẩn [14] Kết quả là, các giao thức

đó không tuân theo sự phát triển của cấu trúc liên kết của mạng FANET Vì vậy,

có một thách thức lớn trước mắt các nhà nghiên cứu là làm sao có thể cung cấp được một chiến lược định tuyến hiệu quả và đáng tin cậy Do đó, cần phải phát triển chiến lược định tuyến mới để cung cấp thông tin liên lạc đáng tin cậy giữa các nút của FANET

Một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho mạng giao thức internet (IP) thông thường là SDN (Software-Defined Networking) SDN triển khai mạng bằng cách tách lớp điều khiển và lớp dữ liệu [15] Lớp điều khiển, một bộ điều khiển mạng tập trung quyết định các hoạt động tổng thể của mạng, trong khi trong lớp

dữ liệu chịu trách nhiệm truyền đi các luồng dữ liệu Kiến trúc SDN nâng cao hiệu quả của chiến lược định tuyến dựa trên thông tin được thu thập bởi bộ điều khiển [16]

Mạng FANET được đặc trưng bởi cấu trúc liên kết mạng thay đổi nhanh chóng, tính di động cao, liên kết ngắt đoạn, mức năng lượng bị hạn chế và thay đổi liên tục ở chất lượng liên kết Các chiến lược định tuyến truyền thống không thể đáp ứng các yêu cầu của FANET ở trên Vì vậy, chúng tôi đề xuất khung định tuyến thích ứng trên nền tảng SDN dành cho FANET (cụ thể là ASR-FANET) lượng theo cấu trúc liên kết động của FANET Để tối ưu hóa các yêu cầu về định tuyến và chất lượng dịch vụ (QoS), cấu trúc liên kết FANET có thể được sửa đổi động bằng cách sử dụng khung ASR-FANET Mục tiêu của bộ khung định tuyến này là nâng cao hiệu suất của mạng trong khi tính đến tất cả

các ràng buộc định tuyến, chẳng hạn như cấu trúc liên kết mạng thay đổi nhanh chóng, tính di động cao, liên kết đứt đoạn và thay đổi liên tục ở chất lượng liên kết Bài viết cung cấp những đóng góp: Bằng cách xác định các vấn đề định tuyến chính trong FANET, chúng tôi thực hiện một cuộc điều tra mở rộng về khả năng định tuyến của mạng này, đây là các ý chính của bài viết này Những đóng góp của bài báo này có thể được hiểu là:

a. Bằng cách xác định những thách thức chính của vấn đề nêu trên , chúng tôi thực hiện điều tra chính xác về định tuyến dựa trên SDN trong FANET

b. Khung định tuyến thích ứng dựa trên SDN đã được chúng tôi đề xuất để định tuyến động bằng cách sử dụng nhiều UAV trong mạng IoT Chúng tôi gọi khuôn khổ này là (ASR-FANET) Bộ khung này bao gồm

bộ điều khiển ASR-FANET thu thập thông tin toàn quát của các nút FANET (ví dụ: tốc độ, thông tin vị trí và năng lượng dư) Bộ điều khiển này đưa ra quyết định định tuyến và quyết định cách các nút UAV sẽ di chuyển

c. Hiệu suất của ASR-FANET này được so sánh với hai giao thức định tuyến truyền thống phổ biến về: Tỷ lệ chuyển phát gói thành công,

độ trễ đầu cuối, chi phí định tuyến , mất gói tin và thông lượng

d. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ khung được đề xuất có thể đạt được

độ trễ đầu cuối thấp hơn, chi phí định tuyến , thông lượng và tỷ lệ chuyển phát gói thành công cao hơn

2 BÁO CÁO LIÊN QUAN

Mặc cho các ứng dụng thực tế của FANET trong mạng IoT, có rất nhiều vấn

đề kỹ thuật như định tuyến cần được nghiên cứu thêm Dẫu đã có nhiều các giao thức định tuyến truyền thống được thiết kế cho MANET, nhưng chúng lại không phù hợp cho FANET vì cấu trúc liên kết FANET thay đổi thường xuyên hơn MANET tiêu chuẩn Một số giao thức định tuyến với các kỹ thuật khác đã được

đề xuất cho FANET nhằm cố gắng chuyển phát gói thành công, giảm độ trễ từ đầu cuối, giảm rơi rớt gói và có thể được điều chỉnh trong các tình huống khác nhau Do đó, trước tiên chúng tôi xem xét các giao thức định tuyến dựa trên SDN có liên quan trong FANET đã được công bố ở những báo cáo trước đây, sau đó nghiên cứu và xác định những ưu nhược điểm của từng báo cáo Các tác giả Ramaprasath trong [17] đã đề xuất một sơ đồ giao tiếp UAV mới dựa trên SDN Bộ điều khiển SDN được sử dụng để tính toán các tuyến đường

và giám sát thông tin liên quan đến mạng Mục tiêu chính của sơ đồ này là giảm

độ trễ và tăng thông lượng

Silva và cộng sự [18] đã khai thác SDN để duy trì cấu trúc liên kết của FANET Mục đích chính của giao thức này là xác định và sửa đổi cấu trúc liên kết nhằm duy trì kết nối giữa các nút độc lập thông qua các nút chuyển tiếp

Secinti và cộng sự [19] đề xuất khung định tuyến đa đường đàn hồi của SDN cho các mạng UAV động Bộ điều khiển SDN bao gồm 4 mô-đun riêng biệt: mô-đun thu thập dữ liệu, mô-đun tính toán thời gian truyền, mô-đun định tuyến đa đường đàn hồi đầu cuối và mô-đun mô hình hóa biểu đồ nhiều lớp Một mô-đun mô hình hóa biểu đồ nhiều lớp với bộ điều khiển SDN được sử dụng để tạo các đường dẫn riêng biệt nhằm ngăn chặn các tuyến đường bị quá tải Iqbal [20] đã đề xuất một giao thức dựa trên SDN cho FANET với tính biến động cao Giao thức này được sử dụng để dự đoán sự gián đoạn mạng (chẳng hạn như sự cố mất liên kết) và tối đa hóa tính khả dụng và hiệu suất của mạng SDN được sử dụng để thực hiện các thay đổi định tuyến cần thiết nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các thay đổi liên kết được dự đoán

Z Yuan [21], kiến trúc mới cho mạng cảm biến di động được đề xuất cho một UAV siêu nhỏ sử dụng SDN Mục tiêu của kiến trúc này là nâng cao hiệu suất mạng và tăng cường sử dụng các mạng di động thông thường cho tài nguyên trên kênh không dây

Qi và cộng sự [22] đã phát triển một thuật toán TDR với một thiết bị điều phối và một bộ điều khiển cho cụm SDN Bộ điều khiển được sử dụng để thu thập toàn bộ các chế độ xem lý thuyết cụm mạng, lên lịch cho các tài nguyên mạng và cũng hướng dẫn chuyển tiếp dữ liệu TDR nhằm mục đích đảm bảo độ tin cậy và khả năng nhạy cảm với độ trễ của các ứng dụng khác nhau với QoS tương ứng

Chen và cộng sự [23] đã phát triển một kiến trúc ATN dựa trên SDN cho mạng chiến thuật trên không SD-ATN's mục tiêu mạng là đảm bảo rằng lớp điều khiển SDN thu thập thông tin giám sát lớp dữ liệu trong thời gian thực MCF-SD-ATN là một giao thức truyền thông được thiết kế để thu thập thông tin giám sát một cách hiệu quả và đảm bảo QoS của thông tin giám sát

Alharthi và cộng sự [24] sử dụng SDN trong kiến trúc UAV dựa trên SDN

để kết hợp nhiều kịch bản triển khai cho UAV Kiến trúc hữu ích trong các trường hợp như vùng phủ sóng mạng, quét và cảm biến, đồng thời có khả năng hoạt động ở những nơi không có kết nối mạng Các kịch bản quy mô nhỏ và lớn

đã được sử dụng để giải thích kiến trúc này

Kirichek và cộng sự [25] đã thiết kế một kiến trúc FUSN dựa trên SDN cho mạng cảm biến không trung, trong đó UAV được sử dụng làm bộ điều khiển và cảm biến Các nút FANET được triển khai để tạo kết nối giữa mặt đất và bộ thu thập dữ liệu bay dưới dạng thiết bị chuyển mạch Một nút khác sẽ được định cấu hình làm bộ điều khiển SDN để cập nhật bảng định tuyến cho các nút khác Kiến trúc này nhằm mục đích thiết lập định tuyến hiệu quả từ các cảm biến di động nằm trên mặt đất với sự trợ giúp của UAV Trong Bảng 2, các công trình đã được xem xét trước đó được so sánh trên một số tham số như Deadline, triển khai UAV tối ưu, mức tiêu thụ năng lượng của các nút FANET, số lượng nút FANET tối ưu và lượng thời gian tối thiểu để thu thập dữ liệu từ các nút IoT

Tham khảo

Đơn- Hop/

Đa-hop

Các nút cố định / di động

Tập trung / Phân tán Định vị tối

ưu UAV

Hiệu quả năng lượng

Thời gian di chuyển tối thiểu của UAV Deadline Ramaprasath và cộng sự.

Silva và cộng sự [18] Đa Di động Tập trung Có Không Không Không Secinti và cộng sự [19] Đa Cố định Phân phối Không Không Không Không Iqbal và cộng sự [20] Đơn Cố định Tập trung Không Không Không Không Yuan và cộng sự [21] Đơn Di động Tập trung Không Không Không Không

Qi và cộng sự [22] Đơn Di động Phân phối Không Có Không Không Chen và cộng sự [23] Đơn Cố định Tập trung Không Không Không Không Alharthi và cộng sự [24] Đơn Di động Tập trung Không Có Không Không Kirichek và cộng sự [25] Đơn Cố định Tập trung Có Không Không Không

Bảng 2 So sánh giữa các báo trước đó

3 KHUNG ĐỀ XUẤT

Để giải quyết vấn đề định tuyến truyền thống trong mạng FANET, một khung định tuyến thích ứng SDN mới cho FANET đã được đề xuất (cụ thể là ASR-FANET)

Bộ điều khiển SDN thích ứng được sử dụng trong ASR FANET, trong đó điều khiển mạng được phân chia giữa điều khiển SDN và UAV (mặt phẳng dữ liệu) Trong trường hợp này, các nút FANET có quyết định mang dữ liệu với các giao thức định tuyến phân phối mà không cần bộ điều khiển SDN liên quan đến chúng Khi mạng xảy

ra lỗi và mất ổn định, các giao thức định tuyến không phải SDN (truyền thống) như định tuyến trạng thái liên kết được tối ưu hóa (OLSR) có thể được sử dụng để cung cấp kiến trúc mạng ổn định nhằm khám phá cấu trúc liên kết mạng và định tuyến Một phần của các nút trong mạng SDN trong khung ASR-FANET sẽ tự động chuyển từ SDN sang giao thức định tuyến phân tán thông thường (ví dụ: OLSR) và bỏ qua các quy tắc chuyển tiếp SDN Theo cách phân tán, các nút FANET có thể được chọn trong một khu vực cụ thể nơi thường xuyên xảy ra thay đổi mạng Đương nhiên, giao thức định tuyến phân tán sẽ tương thích với những thay đổi này nhanh hơn bộ điều khiển SDN Khi kết nối với bộ điều khiển SDN trở nên ổn định hơn, các nút FANET có thể được cấu hình lại bởi bộ điều khiển SDN và di chuyển lại sang SDN Bằng cách chuyển điều khiển sang các nút FANET, kiến trúc SDN trở nên phù hợp hơn với môi trường FANET và tương thích hơn với các sửa đổi mạng

Mạng SDN được hình thành bằng cách gắn các công tắc Open Flow trên UAV và thiết bị điều khiển trên bộ điều khiển tập trung Chúng tôi đã xem xét một mạng tập trung trong đó các vị trí của UAV và thiết bị IoT được bộ điều khiển SDN biết Bộ điều khiển nhận thức được cấu trúc liên kết mạng toàn cầu Chúng tôi đã sử dụng một

bộ điều khiển trung tâm duy nhất giám sát toàn bộ mạng lưới giao thông

Do nhiều ứng dụng mạng IoT đã được trải đều trên mạng nên chúng tôi cũng cho rằng việc phân phối các nút IoT trong mạng sẽ đồng nhất Các nút có hai loại: Đầu cụm (CH) và thành viên cụm (CM) Các CH và CM được triển khai ngẫu nhiên trong trường mạng Mỗi thiết bị thường có một đường ngắm với xác suất nhất định đối với một UAV cụ thể Khả năng tầm nhìn này phụ thuộc vào môi trường, vị trí của thiết bị IoT, UAV và góc nâng giữa UAV và thiết bị IoT Trong bài viết này, mỗi nút IoT được cho là có khả năng đặt tốc độ cũng như bán kính truyền của riêng chúng Tất cả các nút của mạng IoT đều biết vị trí địa lý của chúng dựa trên hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và vị trí của chúng được FANET biết và được sử dụng để tìm tuyến đường tối ưu cho các nút FANET

Chúng tôi giả định rằng các nút UAV trong FANET sẽ được phân phối theo hình thức adhoc Trong bài viết này, mọi UAV đều có khả năng di chuyển với tốc độ cố định và độ cao cố định UAV có sức mạnh xử lý và bộ nhớ cao sẽ được đảm nhận Trong bài viết này, mọi UAV đều có khả năng di chuyển mà không gặp chướng ngại vật Mọi UAV đều có khả năng di chuyển mà không có nguy cơ va chạm Dựa trên các giả định trên của mạng FANET và IoT, khung ASR-FANET để thiết kế khung định tuyến động mới cho FANET sử dụng SDN thích ứng có thể bao gồm ba cơ chế chính:

cơ chế khám phá cấu trúc liên kết, cơ chế thu thập số liệu thống kê và cơ chế tính toán tuyến đường Như trong Hình 3, cả ba cơ chế này đều nằm trong bộ điều khiển SDN Dưới đây chúng tôi sẽ giải thích chi tiết từng người trong số họ:

Cơ chế khám phá cấu trúc liên kết

o Trong cơ chế này, thông tin định kỳ về cấu trúc liên kết mạng (các nút và liên kết) được thu thập Thông tin kết nối về mạng liên tục có sẵn cho các cơ chế khác trong bộ điều khiển SDN

Cơ chế thu thập số liệu thống kê

o Cơ chế này thu thập trạng thái của số liệu thống kê chuyến bay FANET (tốc

độ, dữ liệu GPS, dữ liệu IMU) và kết nối mạng (độ trễ, RSSI, tỷ lệ lỗi bit) Thông tin cho cơ chế này được gửi dưới dạng tham chiếu để tạo đường dẫn luồng mới

Cơ chế tính toán lộ trình

o Cơ chế này được sử dụng để xác định các đường dẫn tối ưu dựa trên dữ liệu thu được từ các cơ chế khác

o Bất kỳ UAV nào trong FANET đều có cả kết nối LTE và Wi-Fi Kết nối điều khiển giữa UAV và SDN được kích hoạt thông qua kết nối LTE, trong khi kết nối Wi-Fi cung cấp liên lạc dữ liệu giữa UAV và thiết bị IoT Giao thức định tuyến OLSR được sử dụng cho lưu lượng dữ liệu khi thiếu quyền truy cập vào bộ điều khiển SDN Giao thức định tuyến OLSR cung cấp phản hồi thích hợp để thay đổi các sự kiện cấu trúc liên kết, chẳng hạn như thêm/xóa các nút UAV và liên kết không dây giữa chúng