ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Mạng MANET là một loại mạng không dây đặc biệt, trong đó các thiết bị di động có khả năng tự thiết lập và duy trì kết nối mà không cần một cơ sở hạ tầng m
MẠNG MANET VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV
Tổng quan về mạng MANET
Mạng tùy biến di động (MANET) là tập hợp của hai hoặc nhiều thiết bị không dây có khả năng tương tác với nhau, không cần sự hỗ trợ của người điều hành hệ thống Các nút trong mạng MANET đóng vai trò vừa là trạm trung tâm vừa là định tuyến Cấu trúc liên kết mạng thường động vì các liên kết của các nút có thể chuyển biến theo thời gian do sự thay đổi của các nút, điểm bắt đầu của nút và đến nút mới Vì vậy, để cho phép các nút giao tiếp với nhau, việc sử dụng các GTĐT đạt yêu cầu là cần thiết
Những kết nối hoặc phương tiện đặc biệt kết nối được với phương tiện khác để tạo điều kiện cho việc liên lạc và chia sẻ thông tin Vì số lượng nút không dây thay đổi linh hoạt nên thông tin định tuyến cũng được cập nhật sự chuyển đổi trong các kết nối liên kết Do đó, cấu trúc liên kết của mạng năng động hơn và những thay đổi thường không thể đoán trước so với bản chất cố định của các mạng có dây hiện có
Bản chất động của môi trường không dây, thay đổi cấu trúc liên kết nhanh và không thể đoán trước, năng lượng pin hạn chế và tính di động đặt ra nhiều thách thức đối với việc thiết kế các GTĐT Do những thách thức to lớn trong định hướng xây dựng các GTĐT cho mạng MANET, những phát triển gần đây đã tập trung vào việc cung cấp các giải pháp định tuyến tối ưu Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp này đều đạt được các mục tiêu cụ thể như giảm thiểu độ trễ và chi phí hoạt động, hy sinh các yếu tố khác bao gồm điều kiện mở rộng và mức độ tin cậy định tuyến Do đó, luôn cần có một GTĐT tối ưu có thể đáp ứng hầu hết các yêu cầu của người dùng và có thể đối phó với hành vi nghiêm ngặt của môi trường không dây
Mạng MANET mang lại lợi ích đáng kể về tính linh hoạt, khả năng mở rộng và tính di động [34] Mặt khác, chúng trải qua thách thức trước nhiều mối đe dọa bảo mật có thể làm gián đoạn liên lạc mạng và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn dữ liệu [35]
Trong mạng MANET, mạng cảm biến được gọi là mạng cố định, trong đó các kết nối giữa các thành phần tương đối tĩnh [17] Tất cả các thành phần được sử dụng trong mạng cảm biến đều không dây và được triển khai trên một khu vực rộng lớn
Các cảm biến có khả năng thu thập thông tin và truyền dữ liệu về bộ xử lý trung tâm Trong trường hợp một cảm biến mất điện, cấu trúc kết nối của mạng cảm biến có khả năng biến đổi Cho nên, mạng cảm biến được coi là mạng MANET cố định
Mỗi nút có giao diện không dây và giao tiếp với nhau thông qua tần số vô tuyến hoặc hồng ngoại Máy tính xách tay và PDA giao tiếp trực tiếp với nhau là một số ví dụ về các kết nối của mạng MANET Các nút mạng của MANET thường là nút di động, nhưng cũng có thể bao gồm các nút cố định, chẳng hạn như các điểm truy cập Internet Nút bán di động có khả năng được sử dụng để thực thi các điểm chuyển tiếp ở những khu vực tạm thời cần các điểm chuyển tiếp Hình 2.2 cho thấy một mạng MANET đơn giản với ba nút Các nút ngoài cùng ngoài phạm vi của nhau Tuy nhiên, các nút trung gian có khả năng được dùng để chuyển tiếp gói tin giữa các nút ngoài cùng Nút B hoạt động như một hệ thống định tuyến và những nút A, B và C tạo thành một mạng MANET
Hình 2.2 Kết nối giữa các nút A, B và C
Mạng MANET không thực hiện việc tập trung quản lý hệ thống Điều này bảo đảm rằng hệ thống mạng không mất kết nối chỉ vì một trong các nút mạng rời khỏi phạm vi phát của các nút khác Mọi nút có khả năng truy cập hoặc thoát khỏi mạng theo ý muốn Do phạm vi hạn chế của máy chủ của một nút, có thể mất nhiều bước nhảy để đến các nút khác Mọi nút muốn tham gia mạng MANET phải sẵn sàng chuyển tiếp các gói đến các nút khác Do đó, mỗi nút không những đóng vai trò như một máy chủ mà còn đóng vai trò như là một bộ định tuyến của mạng Một nút được xem như một thực thể trừu tượng bao gồm một bộ định tuyến và các máy chủ di động đính kèm Một bộ định tuyến là một thực thể khởi động các GTĐT Máy chủ có tính di động là một máy chủ hoặc thực thể có địa chỉ IP theo nghĩa truyền thống
Mạng MANET cũng có thể xử lý các thay đổi cấu trúc liên kết và lỗi trong các nút Chúng được sửa bằng quá trình điều chỉnh các cài đặt và thiết lập trong mạng Ví dụ: Trường hợp một nút di chuyển khỏi mạng và gặp vấn đề ngừng kết nối, thì nút chịu tác động có thể dễ dàng đòi hỏi cách giải quyết vấn đề bằng cách thiết lập tuyến mới Kết quả là làm tăng độ trễ nhưng không đáng kể, nhưng mạng vẫn sẽ hoạt động
Các ứng dụng của mạng MANET:
Cùng với sự tăng lên của các thiết bị di động và sự phát triển vượt bậc của truyền thông không dây, các mạng MANET trở nên cần thiết hơn vì được sử dụng phổ biến hơn Mạng MANET được triển khai mọi lúc mọi nơi mà không sử dụng hệ thống hạ tầng và hệ thống mạng linh hoạt Mạng MANET tạo điều kiện cho các phương tiện duy trì liên kết với mạng và dễ dàng thêm và xóa thiết bị khỏi mạng Các ứng dụng của mạng MANET bao gồm từ các mạng quy mô lớn, di động, năng động cao đến các mạng tĩnh nhỏ bị hạn chế bởi nguồn điện hạn chế Ngoài các ứng dụng kế thừa chuyển từ môi trường hệ thống hạ tầng truyền thống sang môi trường tạm thời, một loạt dịch vụ mới có thể và sẽ được tạo cho bối cảnh mới Các ứng dụng tiêu biểu bao gồm:
Chiến trường quân sự: Hệ thống quân sự bao gồm các loại phương tiện như máy tính Mạng MANET đặc biệt hữu ích để thiết lập thông tin liên lạc hoạt động chiến
14 thuật giữa một nhóm binh sĩ và quân đội sử dụng các kết nối chung để bảo toàn mạng liên lạc giữa binh lính, phương tiện và trụ sở thông tin quân sự Mạng MANET có khả năng thực hiện các điều kiện về cơ chế liên lạc rất nhanh chóng, bởi vì mạng MANET có thể được thiết lập mà không cần lập kế hoạch và cơ sở hạ tầng, cho phép các quân đội dễ dàng liên lạc nhờ có các kết nối không dây Một yếu tố quan trọng khác làm cho MANET trở nên hữu ích và phù hợp với các căn cứ quân sự là tốc độ di chuyển cao của các vật thể quân sự như máy bay, xe tăng và tàu chiến và ứng dụng này yêu cầu MANET phải giao tiếp nhanh chóng và đáng tin cậy Do thông tin được truyền giữa các quân đội, điều quan trọng là bên kia nhận được thông tin liên lạc an toàn, thông tin này có thể được tìm thấy thông qua các mạng MANET Cuối cùng, tính chất vượt trội của thông tin liên lạc được yêu cầu trong môi trường quân sự đặt ra một số yêu cầu quan trọng nhất định đối với các mạng MANET, chẳng hạn như độ tin cậy, hiệu quả, bảo mật và hỗ trợ định tuyến đa hướng Hình 2.3 cho thấy một ví dụ về mạng MANET quân sự
Hình 2.3 Ứng dụng trong quân sự
Lĩnh vực thương mại: Một môi trường khác mà mạng MANET đặc biệt được sử dụng là các tính huống cứu hộ quan trọng Những hình thức truyền thông hỗ trợ tích cực cho các ứng dụng an toàn công cộng và tìm kiếm cứu nạn Khi đội ngũ y tế vội
15 vã đến khu vực thiên tai để điều trị cho các nạn nhân, nó cần thông tin liên lạc linh hoạt và độ chính xác cao Tốn nhiều thời gian để đi dây và cài đặt phần cứng mạng Các nhóm y tế dùng các nút di động như máy tính xách tay và PDA, đồng thời có thể liên lạc với các nhóm y tế tại bệnh viện và hiện trường thông qua các liên kết không dây Ví dụ: người dùng ở một bên của tòa nhà có thể gửi một gói dành cho người dùng khác ở phía bên kia của cơ sở (vượt xa phạm vi điểm-điểm của mạng WLAN) bằng cách định tuyến dữ liệu từ thiết bị khách đến thiết bị khách cho đến khi nó đạt đến đích của nó Điều này có thể mở rộng phạm vi của mạng WLAN từ hàng trăm feet đến hàng dặm, tùy thuộc vào mức độ tập trung của người dùng không dây Giao tiếp thời gian thực cũng rất quan trọng vì giao tiếp bằng giọng nói chiếm ưu thế trong giao tiếp dữ liệu trong trường hợp này Hình 2.4 cho thấy một ứng dụng tìm kiếm và cứu hộ đặc biệt
Hình 2.4 Ứng dụng trong tìm kiếm cứu nạn
Cấp cục bộ: Mạng MANET có thể liên kết tự động các mạng truyền thông đa phương tiện ngay tức thì và dùng máy tính xách tay hoặc PDA phổ biến và phân phối thông tin của những người tham gia cuộc họp, hội thảo Một ứng dụng cấp cục bộ phù hợp khác có thể nằm trong mạng gia đình, nơi các thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp để hoán đổi thông tin Qua đó, truyền thông đặc biệt di động sẽ có nhiều
16 ứng dụng trong các môi trường dân sự khác như taxi, sân thể thao, tàu biển và máy bay hạng nhẹ
Phân loại các định tuyến trong mạng MANET
Sự cải tiến của các phương tiện điện toán di động phổ biến đã làm tăng lên nhu cầu về các mạng có thể cấu hình động Các GTĐT của MANET tạo môi trường thuận tiện cho việc tạo các mạng như vậy mà không sử dụng hệ thống cơ sở hạ tầng Một trong những thách thức của các GTĐT trong mạng MANET là đánh giá và thiết kế một GTĐT hiệu quả có thể vận hành ở tốc độ dữ liệu thấp và đáp ứng những thay đổi động trong cấu trúc liên kết mạng do tính di động của nút Một số GTĐT đã được lực lượng chuyên trách về kỹ thuật liên mạng (Internet Engineering Task Force) chuẩn hóa để đáp ứng nhu cầu định tuyến đặc biệt [18]
Các GTĐT đặc biệt khác nhau được thiết kế để cung cấp định tuyến chính xác, nhanh chóng và đáng tin cậy cho một số lượng lớn cấu trúc liên kết mạng thay đổi Các GTĐT như vậy gặp phải những giới hạn điển hình là cấu trúc liên kết mạng thay đổi, bao gồm mức tiêu thụ điện năng cao, băng thông không cao nhưng chỉ số lỗi lại cao Thể hiện như Hình 2.11, các GTĐT này thường có thể được nhóm thành ba loại chính: chủ động hoặc theo hướng bảng, phản ứng hoặc theo nhu cầu và kết hợp Sự phân loại này chia nhóm các GTĐT nhờ vào công nghệ, số bước nhảy,
23 trạng thái liên kết và định tuyến nguồn trong cấu trúc khám phá tuyến đường Trong các GTĐT dựa trên kỹ thuật đếm bước nhảy, bảng định tuyến của mỗi nút gồm thông tin của bước nhảy tiếp theo được liên kết với đích Các GTĐT trạng thái liên kết duy trì một bảng định tuyến của cấu trúc liên kết hoàn chỉnh, được xây dựng bằng cách tìm các đường dẫn ngắn nhất với chi phí liên kết Trong công nghệ định tuyến nguồn, tất cả các gói dữ liệu đều mang thông tin định tuyến dưới dạng tiêu đề của chúng Nút gốc có thể lấy thông tin định tuyến này, ví dụ, thông qua GTĐT nguồn
Hình 2.11 Phân loại định tuyến trong mạng MANET
2.3.1 Định tuyến theo yêu cầu
Nhóm GTĐT theo yêu cầu được phân tích và sử dụng trong mạng MANET Giao thức này chỉ tạo các tuyến đến đích khi cần thiết Bất cứ khi nào nút nguồn muốn gửi dữ liệu để tìm đích đến, quy trình khám phá tuyến sẽ được kích hoạt và tuyến sẽ được duy trì thông qua quy trình duy trì tuyến cho đến khi tuyến không còn cần thiết Bằng cách này, chi phí liên lạc giảm và năng lượng pin được bảo toàn so với các GTĐT tích cực Thể hiện trong Hình 2.12, không có bảng cấu trúc liên kết trong
24 mỗi nút Thời điểm nút A có yêu cầu gửi dữ liệu đến nút D, quá trình khám phá tuyến đầu tiên sẽ quảng bá nút tìm kiếm D trên không gian chứa các nút Lúc nút D được nhận thông báo này, nó sẽ phản hồi yêu cầu thiết lập tuyến đến nút A Khi một tuyến đường đã được tìm thấy hoặc tất cả các hoán vị có thể có của các tuyến đường đã được kiểm tra, quá trình này đã hoàn tất Khi một tuyến đường được lên lịch, nó sẽ bảo toàn nguyên thông qua quy trình bảo trì tuyến đường cho đến khi đích của mỗi đường dẫn từ nguồn bị mất kết nối hoặc tuyến đường không cần thiết nữa
Hình 2.12 GTĐT theo yêu cầu
Giao thức theo yêu cầu không phải lúc nào cũng duy trì thông tin định tuyến chính xác của hầu hết các nút Ngoài ra, thông tin định tuyến như vậy sẽ lấy theo yêu cầu Nếu một nút cần truyền một tin nhắn và không có đủ thông tin định tuyến để gửi tin nhắn đến đích, thì nó phải lấy thông tin cần thiết Thông thường, một nút ít nhất muốn xác định bước nhảy tiếp theo của một gói (trong số các nút lân cận của nó) Mặc dù một nút có thể quảng bá các gói đến tất cả các nút lân cận, nhưng điều này có thể dẫn đến tắc nghẽn nghiêm trọng trong nhiều trường hợp Tuy nhiên, quảng bá này được dùng cho thời gian tìm kiếm tuyến đường, vì không có thông tin về chặng tiếp theo nào khác
25 Ưu điểm của các GTĐT theo yêu cầu là những kênh không dây (một nguồn tài nguyên khan hiếm) không cần phải mang một lượng lớn dữ liệu định tuyến cho các tuyến không còn được sử dụng Trong một số trường hợp, lợi thế này có thể bị giảm đi khi lưu lượng của một số lượng lớn các nút cao Do đó, các kịch bản này có tác động lớn đến hiệu suất Trong trường hợp nhiều nút có nhiều lưu lượng truy cập, lưu lượng thiết lập định tuyến có thể cao hơn lưu lượng nền không đổi để bảo toàn thông tin định tuyến chính xác tại các nút Tuy nhiên, hiệu quả thu gọn (tăng chi phí hoạt động) có thể không ảnh hưởng đến các phép đo hiệu suất khác, chẳng hạn như thông lượng hoặc độ trễ, nếu có đủ dung lượng Ví dụ về các giao thức theo yêu cầu bao gồm: GTĐT AODV, GTĐT DSR, GTĐT TORA, GTĐT ABR và GTĐT SSA [19-20]
2.3.2 Định tuyến theo bảng ghi
Là các phương pháp định tuyến dựa trên bảng nhằm cố gắng duy trì cơ sở dữ liệu về các bảng định tuyến chứa các tuyến mạng hiện tại [36] Nhóm các GTĐT theo bảng ghi cho phép các nút phải cập nhật thông tin định tuyến trong bảng định tuyến Bảng định tuyến này sẽ trao đổi định kỳ với toàn bộ các nút khác và khi cấu trúc liên kết mạng thay đổi Vì vậy, khi các nút cần gửi một gói tin, tuyến đường luôn sẵn sàng Tuy nhiên, hầu hết thông tin định tuyến được trao đổi là không cần thiết Hình 2.3 minh họa hoạt động của định tuyến theo bảng ghi Ví dụ: Khi nút A muốn gửi một số dữ liệu đến nút D, tất cả những gì nó phải làm là tìm nút D trên bảng cấu trúc liên kết đã chuẩn bị trước đó, bảng này được lưu trữ trong nút A Việc hiểu bảng nhanh hơn tìm kiếm cấu trúc liên kết và cần ít năng lượng hơn Toàn bộ mạng lưới các điểm đến Trường hợp các nút mạng thay đổi chuyển thường xuyên, bảng cấu trúc liên kết không tiêu thụ nhiều năng lượng
Hình 2.13 GTĐT theo bảng ghi
Khi một mạng MANET dựa trên các GTĐT đang hoạt động, mức tiêu thụ điện năng và tiêu thụ băng thông sẽ tăng lên do sự trao đổi bảng cấu trúc liên kết của các nút sau mỗi lần hoán đổi vị trí nút Điều này xảy ra ngay cả khi mạng ở chế độ chờ (ví dụ: không truyền dữ liệu trên mạng) Môi trường mạng tối ưu cho các GTĐT chủ động là các mạng có tính di động thấp (hoặc không có) Một số GTĐT theo bản ghi bao gồm: OLSR, GTĐT CGSR và GTĐT WRP [19,21-22]
Sử dụng cả cách tiếp cận theo hướng bảng và theo hướng yêu cầu để đạt được kết quả tốt hơn vì chúng kết hợp các thành phần từ cả hai dạng GTĐT chủ động và bị động [37] Dựa trên sự kết hợp của GTĐT theo yêu cầu và GTĐT theo bảng ghi, một số GTĐT lai đã có những gợi ý để tổng hợp những ưu điểm GTĐT lai điển hình nhất là GTĐT khu vực [23] Liên quan đến sự phân chia chính của các GTĐT, Bảng 2.1 cung cấp sự so sánh giữa các GTĐT theo bảng ghi, theo yêu cầu và kết hợp Một số GTĐT lai được kể đến như ZRP, GTĐT ZHLS và GTĐT CEDAR [24–
Bảng 2.1 So sánh các tính chất của các loại GTĐT
GTĐT theo bảng ghi GTĐT theo yêu cầu GTĐT lai
Tổ chức mạng lưới Phân cấp/bằng phẳng Bằng phẳng Phân cấp Cấu trúc liên kết Định kỳ Theo yêu cầu Cả hai Độ trễ định tuyến Luôn sẵn sàng Sẵn sàng khi cần Cả hai
Xử lý di động Cập nhật định kỳ Bảo trì tuyến đường Cả hai
Chi phí liên lạc Cao Thấp Bình thường
GTĐT Ad-hoc On Demand Distance Vector (AODV)
AODV [26,27,28] là GTĐT theo yêu cầu Khi một nút mong muốn gửi dữ liệu, đầu tiên tìm trong bảng định tuyến khi nút đích không tồn tại, nút nguồn phải bắt đầu khám phá tuyến đường Quá trình này được bắt đầu bằng cách tạo một thông báo RREQ, bao gồm số bước nhảy đến đích, địa chỉ IP của nguồn và đích, số thứ tự của cả hai và ID quảng bá của RREQ Do đó, số lượng các gói tin quảng bá cần thiết để tạo ra các tuyến đường theo yêu cầu thông qua GTĐT AODV được giảm thiểu thay vì thực hiện truyền tin theo chế độ quảng bá để bảo toàn thông tin định tuyến hoàn chỉnh với GTĐT DSDV Nhờ đó lưu lượng các gói tin có chức năng định tuyến trong mạng được giảm thiểu
2.4.2 Quá trình khám phá tuyến
GTĐT AODV cung cấp định tuyến theo yêu cầu đến các đích và hỗ trợ cả định tuyến đơn hướng và đa hướng [33] Nếu một nút nguồn cần gửi một thông điệp đến một nút đích mà không tồn tại một tuyến đường nào có hiệu lực, nút nguồn bắt đầu một lộ trình khám phá tuyến đường đến đích Nút nguồn gửi đi một gói tin yêu cầu tuyến đường, viết tắt là RREQ, đến tất cả các nút hàng xóm của nó Các nút nhận
28 được gói tin RREQ sau đó chuyển tiếp yêu cầu đến tất cả các nút lân cận, và cứ như vậy, đến khi nút đích hoặc nút trung gian với thông tin tuyến đường đủ mới nhận được thông điệp Hình 2.14 minh họa sự lan truyền của gói tin quảng bá RREQ đi qua mạng từ nút nguồn A đến nút đích E
Hình 2.14 Sự lan truyền của gói tin yêu cầu tuyến RREQ
Cũng giống như GTĐT DSDV, số thứ tự (sequence number) của đích được dùng để chắc chắn là tất cả các tuyến không tạo ra vòng lặp và chứa thông tin tuyến mới gần đây Mỗi nút có một số thứ tự riêng và một định danh quảng bá, sẽ được tăng lên mỗi khi nút bắt đầu gửi đi một yêu cầu tuyến RREQ Định danh quảng bá, cùng với địa chỉ IP của nút, định dạng duy nhất mỗi gói tin RREQ Các thông tin định dạng nút nguồn bao gồm trong gói tin RREQ:
- Số thứ tự của nút
- Số định danh quảng bá
- Số thứ tự mới nhất của nút đích
2.4.3 Quá trình thiết lập đường đi ngược về nguồn
Những nút trung gian phản hồi gói tin RREQ trong trường hợp có một tuyến đến đích với số thứ tự lớn hơn hoặc tối thiếu là bằng với số thứ tự bên trong gói tin RREQ Để tối ưu hóa hiệu xuất của tuyến, các nút trung gian lưu trữ địa chỉ của các nút hàng xóm khi chúng nhận được gói tin mới nhất quảng bá RREQ Điều này tạo ra thông tin đường đi ngược lại về nút nguồn (reverse path) Tất cả những gói tin RREQ cùng số thứ tự nhận được sau đó đều bị hủy bỏ Hình 2.15 mô tả đường đi ngược lại về nút nguồn được cập nhật trên các bảng định tuyến
Hình 2.15 Đường đi ngược về nguồn – reverse path
Một khi gói tin RREQ đến được đích hoặc một nút trung gian có thông tin tuyến đường đủ mới đến đích, nút trung gian hoặc nút đích đó gửi một thông điệp trả lời, viết tắt là RREP, trở lại cho nút hàng xóm mà nhận được gói tin đầu tiên của RREQ Hình 2.16 minh họa đường đi của gói tin phản hồi RREP
Hình 2.16 Đường đi của gói tin RREP
2.4.4 Quá trình thiết lập đường đi hướng về phía nút đích
Bởi gói tin RREP đi ngược trở lại trên đường ngược về đã được thiết lập trước đây, các nút trên tuyến đường có thể thiết lập thông tin đường tuyến hướng về phía nút đích (forward path) khi các nút nhận được gói tin RREP Các thông tin định tuyến hướng về phía nút đích sẽ tạo ra đường đi hiệu lực từ nút nguồn đến nút đích Các gói tin RREP tiếp tục đi trở lại dọc theo đường ngược (reverse path) tới lúc đến nút nguồn Nên GTĐT AODV có khả năng hỗ trợ đường truyền hai chiều (symmetric links) Hình 2.17 mô tả đường đi hướng về phía nút đích (forward path) xuất phát từ nút nguồn được thể hiện trong các bảng định tuyến
Hình 2.17 Đường đi từ nguồn đến đích – forward path
Một bộ định thời cho tuyến (route timer) được liên kết với mỗi bảng ghi định tuyến Bộ định thời này tác động đến việc xóa bảng ghi tuyến nếu tuyến đó không được dùng trong một khoản thời gian cụ thể (specified lifetime)
Khi nút nguồn di chuyển, có thể bắt đầu lại quá trình khám phá tuyến nhằm phát hiện tuyến đường mới đến nút đích Nếu các nút dọc theo tuyến đường di chuyển, các nút liền kề ghi chú sự di chuyển và lan truyền một thông báo liên kết hỏng (link failure), và cứ thế cho đến khi nút nguồn nhận được thông báo Một thông báo hỏng đường truyền về cơ bản là một gói tin RREP với trọng số vô cực
Quá trình khám phá tuyến của nút nguồn có thể được khởi động lại nếu một tuyến được chọn đến nút đích vẫn được yêu cầu GTĐT khác theo sau của tiến trình bảo trì tuyến là thông điệp HELLO, gửi đi theo cách thức quảng bá bởi một nút để quản bá cho những nút hàng xóm sự có mặt của nó Thông điệp HELLO đảm bảo những liên kết cục bộ Các nút chờ đợi sự truyền lại gói dữ liệu để đảm bảo là những bước tiếp theo vẫn nằm trong khả năng truyền Khi truyền lại như vậy không được nghe thấy, sử dụng các nghiệp vụ để tái thiết lập tuyến Cách thức như vậy là sự bảo đảm của thông điệp HELLO để kiểm tra xem nút kế tiếp có ở trong phạm vi truyền thông
32 hay không Các thông điệp HELLO có khả năng thống kê các nút khác mà một nút có thể lắng nghe được, qua đó chuyển tiếp nhiều thông tin hơn về kết nối mạng
Hình 2.18 Gói tin route error
Khi một kết nối đã bị đứt và gói tin không thể truyền được đến đích, các nút truyền gói tin route error, viết tắt là RERR, ngược trở lại nút nguồn Nếu nút nguồn vẫn cần tuyến đường đi đến đích, quá trình khám phát tuyến đường đến đích sẽ được tái thiết lập Hình 2.18 minh hoạt một kết nối đã bị hỏng và gói tin RERR được gửi ngược về nút nguồn
2.4.5 Quản lý bảng định tuyến
Trạng thái mềm liên kết của nút di động bao gồm các thông tin cần thiết khác ngoài số thứ tự nguồn và đích Kết nối với đường đi ngược về nguồn là một thiết bị đếm thời gian, được định nghĩa là thời gian hết hạn yêu cầu tuyến đường Thiết bị đếm thời gian này xóa các mục định tuyến đường dẫn ngược cho các nút không thuộc phạm vi đường dẫn từ nguồn tới đích Thời gian hết hạn phụ thuộc vào kích thước của mạng MANET
Ngoài thời gian hết hạn yêu cầu tuyến đường, thời gian phản hồi của bộ nhớ đệm tuyến cũng là một tham số quan trọng liên quan đến các mục định tuyến Giúp xác định thời gian không hợp lệ của tuyến Trong số các mục định tuyến, địa chỉ của các nút đang hoạt động đã nhận gói tin cho một đích nhất định cũng được tiếp tục Một hàng xóm xác định đang hoạt động cho một đích nếu nó khởi tạo hoặc chuyển tiếp ít nhất một gói tin đến đích đó trong thời gian chờ hoạt động gần nhất Điều này liên
33 tục tiếp diễn để thông báo cho tất cả các nút nguồn đang hoạt động khi một liên kết đến đích bị gián đoạn
Một bảng định tuyến được định nghĩa là đang hoạt động trong trường hợp nó được dùng bất kỳ hàng xóm đang hoạt động nào Đường dẫn từ nguồn đến đích, theo sau là các gói dọc theo mục định tuyến đang hoạt động, được gọi là tuyến đường đang hoạt động Tương tự như GTĐT DSDV, những tuyến trong bảng định tuyến đều được đánh dấu bằng số thứ tự đích Điều này bảo đảm các vòng lặp định tuyến sẽ không hình thành ngay cả trong các điều kiện khắc nghiệt của việc phân phối gói không theo thứ tự và tính di động của nút cao Các mục trong bảng định tuyến bao gồm các thông tin sau: Đích đến, bước nhảy tiếp theo, số bước nhảy, số thứ tự của đích, hàng xóm đang hoạt động cho tuyến đường, thời gian hết hạn cho mục nhập bảng định tuyến
2.4.6 Quá trình bảo trì tuyến
GIAO THỨC ĐA ĐƯỜNG CÂN BẰNG TẢI THEO XÁC SUẤT
Cơ chế cân bằng tải giao thức PLBM-AODV
CHƯƠNG 3 GIAO THỨC ĐA ĐƯỜNG CÂN BẰNG TẢI THEO XÁC SUẤT AODV (PLBM-AODV)
Giao thức đa đường cân bằng tải theo xác suất AODV (PLBM-AODV) với mục tiêu cung cấp nhiều tuyến đường để các nguồn gửi dữ liệu đồng thời từ nguồn đến đích Và còn xây dựng được cơ chế cân bằng tải và cơ chế đa đường theo xác suất Trong GTĐT AODV, nguồn gửi dữ liệu theo đường đi ngắn nhất nên chỉ có một số nút tham gia truyền dữ liệu và năng lượng còn lại của chúng giảm đáng kể, nhưng trong GTĐT PLBM-AODV, do sử dụng nhiều tuyến đường nên năng lượng được phân phối trên tất cả các nút trên các tuyến đường đã được khám phá
3.2 Cơ chế cân bằng tải GTĐT PLBM-AODV
3.2.1 Quá trình khám phá tuyến
Khi một nút nguồn có dữ liệu cần gửi đến một nút đích mà không có sẵn thông tin định tuyến, nó sẽ bắt đầu quá trình khám phá tuyến (route discovery phase) bằng cách gửi quảng bá (broadcast) gói tin yêu cầu tuyến Route Request (RREQ) trên toàn mạng Hình 3.1 thể hiện quá trình khám phá tuyến
Hình 3.1 Quá trình khám phá tuyến
Tại các nút trung gian (intermediate nodes), gói tin RREQ tăng số bước và cập nhật bảng định tuyến cho đường đi theo hướng ngược lại về nút nguồn Các bảng ghi (entry) hướng đến nút nguồn mà có số thứ tự nguồn (source_seq#) nhỏ hơn số thứ tự nguồn ở gói RREQ sẽ bị xóa để hủy bỏ các thông tin định tuyến lỗi thời Mỗi bảng định tuyến được cập nhật nhiều hơn một bảng ghi định tuyến đến nút nguồn để thiết lập tuyến dự phòng nhưng không vượt quá hai bảng ghi nhằm giảm thiểu khả năng vòng lặp tuyến (looping) Sau khi cập nhật bảng định tuyến, các gói tin RREQ trùng lặp sẽ bị xóa (drop) để giảm lưu lượng (overhead) và tránh sự lặp lại Hình 3.2 thể hiện đường đi ngược về nguồn (reverse path)
Hình 3.2 Đường đi ngược về nguồn
Tại nút đích khi các gói RREQ tiếp cận đến, các bảng ghi lỗi thời sẽ bị xóa bỏ Tối đa hai gói RREQ đến được nút đích sớm nhất sẽ cập nhật thông tin định tuyến theo hướng về nút nguồn Nút nguồn sẽ phản hồi bằng các gói Route Reply (RREP) theo phương thức đa hướng (multicast) về nút nguồn thông qua các bảng ghi định tuyến đã được thiết lập Các nút trung gian cũng chuyển tiếp các gói RREP theo phương thức đa đường và hủy bỏ các gói trùng lặp nhằm giảm lưu lượng không cần thiết
Trong quá trình chuyển tiếp các gói RREP, các nút trung gian cập nhật bảng định tuyến theo hướng đến nút nguồn Tất cả các bảng ghi có số thứ tự đích (dest_seq#) cũ hơn so với số thứ tự đích ở gói RREP sẽ bị xóa bỏ Thay vào đó, các bảng ghi có số thứ tự đích mới sẽ được cập nhật với số lượng cho phép lớn hơn một tuyến với mục đích thiết lập đường dự phòng, nhưng không vượt quá hai bảng ghi nhằm tránh lặp tuyến Các gói tin RREP trùng lặp sẽ được xóa bỏ nhằm giảm lưu lượng Nút nguồn cho phép cập nhật tối đa hai bảng ghi từ các gói RREP đến sớm nhất cho các đường tuyến đến đích đồng thời xóa bỏ tất cả các bảng ghi có số thứ tự quá hạn Hình 3.3 thể hiện đường đi từ nguồn đến đích
Hình 3.3 Đường đi từ nguồn đến đích
Quá trình thiết lập tuyến kết thúc khi các gói tin RREP từ nút đích đến được nút nguồn Lúc này, các tuyến đường giữa nút nguồn và nút đích đã hình thành thông qua thông tin ở các bảng định tuyến trên nút nguồn, các nút trung gian và nút đích Tại mỗi nút trên các tuyến có thể tồn tại hai phương án lựa chọn đường đi đến nút đích hoặc nút nguồn
3.2.2 Quá trình truyền dữ liệu
Sau khi quá trình thiết lập tuyến thành công, nút nguồn có đường đi đến đích bao gồm các tuyến dự phòng do cơ chế tìm đường đa đường ở giai đoạn trước Để đáp ứng cho việc cân bằng tải trong quá trình truyền dữ liệu, tránh chọn một tuyến duy nhất từ nguồn đến đích, nút nguồn và các nút trung gian trong GTĐT PLBM- AODV chọn tuyến dựa trên một xác suất ngẫu nhiên Cơ chế này vẫn ưu tiên khả năng chọn tuyến đường tối ưu với số bước nhảy thấp nhất nhưng tạo cơ hội sử dụng các tuyến dự phòng với một xác suất nhất định Hình 3.4 thể hiện quá trình truyền dữ liệu
Hình 3.4 Quá trình truyền dữ liệu
Xác suất chọn tuyến sẽ dựa vào số bước nhảy ở các bảng ghi có cùng đích đến, như ở giai đoạn thiết lập tuyến, gồm tối đa hai đường đi ở mỗi bảng định tuyến Giả sử tại một nút trung gian có hai bảng ghi đến đích với số bước nhảy lần lượt là HC1 và HC2 cho hai đường tuyến là T1 và T2 tương ứng Khi đó, xác suất của tuyến T1 được tính theo công thức (3.1) và xác suất của tuyến T2 được tính theo công thức (3.2)
Khi đó, tuyến có số bước nhỏ hơn, tối ưu hơn, sẽ có xác suất được lựa chọn lớn hơn nhưng tuyến có số bước lớn hơn vẫn có khả năng được lựa chọn Các tuyến có số bước nhảy bằng nhau sẽ có xác suất được lựa chọn cân bằng
3.2.3 Quá trình bảo trì tuyến
Quá trình bảo trì tuyến (route maintenance phase) diễn ra khi có sự cố mất kết nối đối với một tuyến từ nguồn đến đích Với cơ chế đa đường của PLBM-AODV, nút trung gian sau khi phát hiện một kết nối quan trọng bị mất, có thể lựa chọn một tuyến dự phòng ngay lập tức nhằm đảm bảo thời gian phục hồi tuyến nhanh chóng sau sự cố Gói tin báo lỗi tuyến Route Error (RERR) cũng được gửi đi nhằm thông báo về sự cập nhật đối với hình trạng mới nhằm giúp nút nguồn khởi động lại quá trình khám phá tuyến để cập nhật lại thông tin định tuyến đến đích Hình 3.5 thể hiện quá trình bảo trì tuyến
Hình 3.5 Quá trình bảo trì tuyến
7 tầng có dây thông qua nhiều cổng với khả năng và cách sử dụng khác nhau Để cải thiện hiệu suất, máy chủ di động phải thích ứng với chuyển đổi về hiệu suất và vùng phủ sóng cũng như chuyển đổi cổng khi có lợi Để nâng cao khả năng dự đoán hiệu suất tổng thể tốt nhất, số liệu lớp mạng có cái nhìn tổng quan hơn về mạng Mạng MANET mang đến các tính năng như kết nối dễ dàng để truy cập mạng, Mạng có cấu trúc đa bước động và tương tác ngang hàng trực tiếp Thuộc tính multihop phải được kết nối bằng một cổng kết nối tới đường trục có dây Tính di động của người dùng cho phép người dùng linh hoạt thay đổi giữa các thiết bị Tính di động của máy chủ cho phép thiết bị của người dùng kết nối mạng và duy trì kết nối cũng như cách thức tiếp cận
Mạng MANET đã được ứng dụng rộng rãi để phục vụ cộng đồng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm dịch vụ y tế [4], phục hồi, đối phó thiên tai [5], giải trí [6], quân sự
[7], giao thông thông minh [8] đến đô thị thông minh [9] Sự phổ biến của các thiết bị di động đã tăng cường nhu cầu cho các thiết bị mạng có thể cấu hình động
MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM
Giới thiệu môi trường mô phỏng Network Simulator 2
Network Simulator 2 (NS2) là một công cụ mô phỏng mạng theo hướng sự kiện, được sử dụng để nghiên cứu bản chất động của các mạng truyền thông NS2 có thể mô phỏng các chức năng và giao thức mạng có dây và không dây, bao gồm các thuật toán định tuyến, giao thức truyền tin cậy (TCP) và giao thức dữ liệu người dùng (UDP) NS2 cung cấp cho người dùng các công cụ để chỉ định các giao thức mạng và mô phỏng các hành vi tương ứng của chúng
Do tính linh hoạt và tính chất mô-đun của nó, NS2 đã liên tục trở nên phổ biến trong cộng đồng nghiên cứu mạng kể từ khi ra đời vào năm 1989 Kể từ đó, một số cuộc cách mạng và sửa đổi đã đánh dấu sự trưởng thành ngày càng tăng của công cụ này nhờ sự đóng góp đáng kể từ những người tham gia trong lĩnh vực này Trong số này có Đại học California và Đại học Cornell đã phát triển trình mô phỏng mạng REAL1, nền tảng mà NS dựa vào Từ năm 1995, Cơ quan dự án nghiên cứu Quốc phòng tiên tiến (DARPA) đã hỗ trợ phát triển NS thông qua dự án thử nghiệm liên mạng ảo (VINT) [29] Hiện tại, Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) đã tham gia vào quá trình phát triển Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, nhóm các nhà nghiên cứu và nhà phát triển trong cộng đồng đang không ngừng nỗ lực để giữ cho NS2 luôn mạnh mẽ và linh hoạt
Hình 4.1 thể hiện kiến trúc cơ bản của NS2 NS2 cung cấp cho người dùng lệnh thực thi ns nhận đối số đầu vào, tên của tệp kịch bản mô phỏng Tcl Người dùng đang cung cấp tên của tập lệnh mô phỏng Tcl (thiết lập mô phỏng) làm đối số đầu vào của lệnh thực thi NS2 ns Trong hầu hết các trường hợp, tệp theo dõi mô phỏng được tạo và được sử dụng để vẽ đồ thị và/hoặc tạo hoạt ảnh
Hình 4.1 Kiến trúc cơ bản của NS2
NS2 sử dụng hai ngôn ngữ chính: C++ và OTcl, C++ được sử dụng để định nghĩa cơ chế bên trong của các đối tượng mô phỏng, trong khi OTcl được sử dụng để thiết lập mô phỏng bằng cách tập hợp, định cấu hình các đối tượng và lên lịch các sự kiện C++ và OTcl được liên kết với nhau bằng TclCL
Các biến trong miền OTcl được ánh xạ tới các đối tượng C++ Các biến này đôi khi được gọi là các thẻ điều khiển Về mặt khái niệm, một thẻ điều khiển chỉ là một chuỗi trong miền OTcl Nó không chứa bất kỳ chức năng nào Thay vào đó, các chức năng được định nghĩa trong đối tượng C++ được ánh xạ Trong miền OTcl, một tay cầm hoạt động như một giao diện người dùng Nó có thể giao tiếp với người dùng và các đối tượng OTcl khác Tay cầm có thể xác định các thủ tục và biến riêng của mình để tạo thuận lợi cho sự tương tác
Các thủ tục thành viên và các biến trong miền OTcl được gọi là các thủ tục cá thể (instprocs) và các biến thể hiện (instvars) tương ứng NS2 cung cấp một số lượng lớn các đối tượng C++ có sẵn và sử dụng các đối tượng C++ này để thiết lập mô phỏng bằng tập lệnh mô phỏng Tcl Tuy nhiên, người dùng nâng cao có thể thấy
42 những đối tượng này không đầy đủ Họ cần phát triển các đối tượng C++ của riêng mình và sử dụng giao diện cấu hình OTcl để tập hợp các đối tượng này lại với nhau
Sau khi mô phỏng, NS2 đưa ra kết quả mô phỏng dựa trên văn bản hoặc dựa trên hoạt ảnh Để diễn giải các kết quả này bằng đồ thị và tương tác, các công cụ như NAM (Network Animator) và XGraph được sử dụng Để phân tích một hành vi cụ thể của mạng, người dùng có thể trích xuất một tập hợp con dữ liệu dựa trên văn bản có liên quan và chuyển đổi nó thành một bản trình bày dễ hiểu hơn
Tcl là một ngôn ngữ thông dịch, điểm mạnh của nó là sự đơn giản Hầu hết các câu lệnh Tcl có thể được chứa trong một dòng [30] Khi chạy, Tcl dịch và thực thi từng dòng câu lệnh Tcl mà không cần biên dịch chương trình
Có ba cách tiếp cận để thực hiện chương trình Tcl:
1 Giải thích một câu lệnh Tcl: Tại dấu nhắc lệnh, thực thi
>>tclsh >>ns trong đó “tclsh” là một tệp thực thi gọi trình tương tác Tcl Vì NS2 hiểu Tcl, nên một cách khác để vào môi trường Tcl là vào môi trường NS2 bằng cách thực thi
“ns” (tức là dòng dưới) thay vì “tclsh” (tức là dòng trên)
2 Vào môi trường Tcl và diễn giải câu lệnh Tcl theo từng dòng:
Bước đầu tiên cho phương pháp này là vào môi trường Tcl bằng cách thực thi
“tclsh” hoặc “ns” tại dấu nhắc lệnh Sau đó, viết ra các câu lệnh Tcl theo từng dòng Cuối cùng, thoát khỏi môi trường Tcl bằng lệnh “exit” hoặc phím điều khiển “Ctrl + C.”
3 Giải thích tệp tập lệnh Tcl: Cách tiếp cận này tương tự như cách đầu tiên Tại dấu nhắc lệnh, thực thi
>> ns [ ] Ở đây, Tcl diễn giải các câu lệnh trong tệp theo từng dòng
Lưu ý rằng “ …” là các đối số đầu vào tùy chọn, có thể được sử dụng trong chương trình Tcl thông qua hai biến đặc biệt sau: argv: Một biến danh sách chứa tất cả các đối số đầu vào được cung cấp khi gọi chương trình argc: Số phần tử trong “argv”
AWK là ngôn ngữ lập trình được thiết kế để xử lý các tệp văn bản [31] AWK đề cập đến mỗi dòng trong tệp dưới dạng bản ghi Mỗi bản ghi bao gồm các trường, mỗi trường được phân tách bằng dấu phân cách trường Nói chung, AWK đọc dữ liệu từ một tệp bao gồm các trường bản ghi, xử lý các trường đó và xuất kết quả vào một tệp dưới dạng báo cáo được định dạng
Cấu trúc chung của chương trình AWK được hiển thị bên dưới:
Tập lệnh AWK chứa hướng dẫn về những gì AWK sẽ thực hiện Nó yêu cầu AWK tìm kiếm mẫu trong bản ghi và thực hiện các hành động trên mẫu phù hợp Cú pháp của tập lệnh AWK như sau:
có thể là biểu thức logic hoặc biểu thức chính quy chỉ định các hành động cho mẫu phù hợp Mỗi hành động trong dấu ngoặc nhọn được phân tách bằng dấu chấm phẩy (“;”)
Mô phỏng thực nghiệm
4.2.1 Xây dựng công cụ hỗ trợ mô phỏng Để phát triển hoặc cải tiến một GTĐT trong NS2, luận văn đã cải tiến và phát triển các đối tượng C++ và sử dụng giao diện cấu hình OTcl để tập hợp các đối tượng này lại với nhau Sau khi mô phỏng, NS2 đưa ra kết quả mô phỏng dựa trên văn bản hoặc dựa trên hoạt ảnh Để diễn giải các kết quả này bằng đồ thị và tương tác, các
45 công cụ như NAM (Network Animator) và XGraph được sử dụng nhằm trực quan hóa quá trình hoạt động của mạng Việc phân tích một hành vi cụ thể của mạng cần trích xuất một tập hợp con dữ liệu dựa trên văn bản có liên quan và chuyển đổi thành một bản trình bày trực quan và dễ hiểu hơn
Các tập tin kết quả của NS2 có nội dung và kích thước lớn chứa đựng toàn bộ quá trình hoạt động của mạng, đặc biệt là các tập tin trace file (.tr) Hơn nữa, để thu thập được dữ liệu tin cậy, các GTĐT cần được thực hiện nhiều lần sau đó thu thập và tổng hợp kết quả từ nhiều lần thực hiện mô phỏng để thu được kết quả cuối cùng Chính vì vậy, đề tài đã phát triển một công cụ giúp tiến hành các mô phỏng, thu thập và tổng hợp dữ liệu thành các kết quả một cách tự động, gọi là autosim Thông qua công cụ này, các tập tin TCL được thực hiện lặp đi lặp lại nhiều lần, sau đó thu thập vào các tập tin và tổng hợp thành các tập tin kết quả Từ các tập tin kết quả này, công cụ thực hiện việc phân tích và cho ra các tập tin mang tính trực quan về các yếu tố đánh giá hiệu năng như tỷ lệ truyền tin (delivery ratio), độ trễ đầu cuối (end-to-end delay), thông lượng (throughput) vân vân như được mô tả ở Hình 4.2
Hình 4.2 Công cụ thực thi mô phỏng và tổng hợp dữ liệu tự động
Số lượng mô phỏng thực hiện lặp đi lặp lại cho mỗi tập tin mã TCL có thể được nhập từ bàn phím, ở đây đề tài thực hiện 50 mô phỏng cho mỗi tập tin TCL Các tập tin kết quả (trace file *.tr) của NS2 sẽ được thu thập và tổng hợp thành một tập tin tổng hợp (summary file *.sum) Các tập tin tổng hợp (.sum) sau đó được tập hợp lại thành các file kết quả của các GTĐT (result file *.res) Từ đây, các kết quả cụ thể theo các tiêu chí đo có thể được phân tích để cho ra các biểu đồ trực quan thông qua bước phân tích các tập tin kết quả Công cụ có thể tạo ra các file dat để phục vụ cho xgraph hoặc gnuplot có thể thực thi và vẽ ra các biểu đồ theo các tiêu chí đo khác nhau
4.2.2 Các tham số mô phỏng
Sử dụng phần mềm mô phỏng NS2 và công cụ phát triển mới autosim, các mô phỏng đã được thực hiện để đánh giá hiệu suất của GTĐT PLBM-AODV so với GTĐT AODV và GTĐT DSR Các mô phỏng được thực hiện trong khu vực 1000m x 1000m với 90 nút mạng có vị trí xuất hiện ngẫu nhiên và các bước di chuyển tùy chỉnh không xác định Số lượng nút nguồn truyền gói thay đổi theo 5, 10, 15, 20, 25 và 30 nút nguồn tìm đường và truyền dữ liệu đến một số nút đích tương ứng Mỗi trường hợp được mô phỏng 10 lần và sử dụng công cụ autosim để thực hiện và thu thập dữ liệu một cách tự động Các tiêu chí đánh giá về tỷ lệ phân phối, độ trễ đầu cuối, thông lượng và chi phí định tuyến gói đã được thu thập và đưa ra kết quả
Bảng 4.1 Các tham số mô phỏng
Loại hàng đợi giao diện Queue/DropTail/PriQueue
Mô hình ăng-ten OmniAntenna
Gói tin tối đa trong hàng đợi (IfQ) 50
Số lượng nút di động 90 nút
Vị trí ban đầu Randomly
Thời gian mô phỏng 200 giây
Giao thức định tuyến AODV, PLBM-AODV, DSR
4.2.3 Kết quả và phân tích
Kết quả mô phỏng cho thấy GTĐT PLBM-AODV cải tiến đã khắc phục được những hạn chế của GTĐT AODV và đạt được hiệu suất tốt hơn ở nhiều khía cạnh
Tỷ lệ phân phối gói của GTĐT PLBM-AODV tốt hơn AODV trong khi độ trễ từ đầu đến cuối của nó rõ ràng là thấp hơn Thông lượng của GTĐT PLBM-AODV được cải tiến cũng tốt hơn GTĐT AODV đồng thời tạo ra ít tải định tuyến hơn Kết quả tốt hơn rõ ràng của GTĐT PLBM-AODV được đề xuất là nhờ giải pháp sáng tạo trong việc tăng số lượng tuyến đường để tạo ra một giải pháp thay thế sẵn sàng khi một liên kết đột ngột mất kết nối Hơn nữa, việc truyền các gói bằng cách chọn tuyến theo xác suất cũng giúp các gói tránh được sự phụ thuộc vào một tuyến cố định, từ đó giúp cân bằng tải và tăng thông lượng trong khi sử dụng ít gói định tuyến hơn GTĐT AODV Đối với tiêu chí tỷ lệ phân phối gói tin tính theo đơn vị phần trăm và tỷ lệ phân phối gói tin cao thì tốt hơn Hình 4.3 cho thấy tỷ lệ của GTĐT PLBM-AODV vượt trội hơn so với GTĐT AODV và GTĐT DSR ở tất cả các trường hợp số lượng nút
48 nguồn khác nhau Đồng thời, tỷ lệ phân phối gói tin của GTĐT PLBM-AODV giữ được sự ổn định, trên 97%, ở tất cả các kịch bản trong khi GTĐT AODV có sự suy giảm tỷ lệ phân phối khi số nút nguồn tăng lên Sự vượt trội về tỷ lệ phân phối của GTĐT PLBM-AODV cho thấy tác dụng của tính chất định tuyến đa đường trong đó các nút trung gian cho lựa chọn tuyến thay thế mỗi khi xuất hiện sự cố về đường truyền hoặc tắt nghẽn Ngoài ra, tính năng lựa chọn tuyến theo xác suất của PLBM- AODV cũng giúp cân bằng tải cho toàn mạng, giảm áp lực cho các tuyến chính, từ đó giảm khả năng tắt nghẽn và đảm bảo sự ổn định trong tỷ lệ phân phối
Hình 4.3 Tỷ lệ phân phối gói tin giữa AODV, PLBM-AODV và DSR Đối với tiêu chí độ trễ trung bình tính theo đơn vị mili giây và độ trễ trung bình thấp thì tốt hơn Hình 4.4 thể hiện ưu điểm của GTĐT PLBM-AODV so với GTĐT AODV và GTĐT DSR trong mọi kịch bản và độ trễ tăng dần cùng với sự gia tăng của số nút nguồn Kết quả cải thiện hơn của GTĐT PLBM-AODV cho thấy việc các tuyến đường được phân chia tải giúp giảm độ trễ hàng đợi (queuing delay) và giảm tắt nghẽn Trong khi các kết nối ở GTĐT AODV phụ thuộc vào duy nhất một đường tuyến khiến cho các hàng đợi ở các nút phải chứa nhiều gói tin hơn, làm tăng thời gian chờ ở hàng đợi Khi số nút nguồn tăng thì lưu lượng gói tin trong mạng
49 cũng tăng dần, dẫn đến thời gian chờ ở các hàng đợi trong các nút trung gian cũng đồng thời tăng lên ở cả hai GTĐT
Hình 4.4 Độ trễ trung bình giữa AODV, PLBM-AODV và DSR Đối với tiêu chí thông lượng tính theo đơn vị megabit trên giây và thông lượng cao thì tốt hơn, GTĐT PLBM-AODV có thông lượng cao hơn GTĐT AODV và GTĐT DSR khi số nút nguồn lớn và thấp hơn khi số nút nguồn nhỏ, như trình bày ở Hình 4.5 Kết quả vượt trội của GTĐT PLBM-AODV trên khía cạnh thông lượng phù hợp với kết quả tỉ lệ truyền khi sự tắt nghẽn, rớt gói tin đã được giảm xuống so với GTĐT AODV và GTĐT DSR
Hình 4.5 Thông lượng giữa AODV và PLBM-AODV Đối với tiêu chí chi phí định tuyến tính bằng tỷ lệ gói tin và chi phí định tuyến thấp thì tốt hơn Hình 4.6 cho thấy GTĐT PLBM-AODV sử dụng số lượng ít gói tin định tuyến hơn so với GTĐT AODV và GTĐT DSR Điều này có thể được giải thích bởi các thông tin định tuyến đa dạng đã có sẵn ở các nút trung gian giúp việc tìm đường được nhanh chóng hơn Ngoài ra, GTĐT PLBM-AODV cũng cung cấp khả năng hủy bỏ các gói tin định tuyến trùng lặp nhằm giảm lưu lượng không cần thiết của các gói tin định tuyến
Hình 4.6 Chi phí định tuyến giữa AODV, PLBM-AODV và DSR
Tuy nhiên để đạt được các kết quả tốt hơn, GTĐT PLBM-AODV cũng cần sử dụng nhiều dung lượng lưu trữ cho bảng định tuyến đa đường cùng với chi phí xử lý khi chọn đường theo xác suất
Luận văn trình bày những hạn chế của GTĐT AODV đặt ra thách thức trong việc tìm đường thay thế, phục hồi tuyến một cách nhanh chóng cũng như khả năng cân bằng tải và tối ưu hóa hiệu suất mạng
Trong hoàn cảnh đó, GTĐT đa đường cân bằng tải theo xác suất AODV (Probabilistic Load-Balanced Multipath AODV) đã đề xuất các cải tiến GTĐT AODV nhằm cải thiện khả năng đáp ứng của mạng MANET thông qua việc cân bằng tải dựa trên xác suất, xây dựng thuật toán định tuyến đa đường, thiết lập nhiều tuyến đường đến đích nhằm phục hồi nhanh chóng khi tuyến đường gặp sự cố Cơ chế chọn các đường thay thế theo xác suất trong quá trình tìm đường và truyền dữ liệu giúp giảm tải cho một tuyến duy nhất ở GTĐT truyền thống, từ đó giúp cải thiện tính cân bằng tải cho GTĐT mới Đề tài đã tiến hành xây dựng các kịch bản mô phỏng thực nghiệm trên Network Simulator 2 nhằm đánh giá hiệu suất và so sánh với GTĐT truyền thống AODV Đề tài cũng phát triển một công cụ tự động tiến hành thực thi các mã TCL và tổng hợp thành các kết quả trực quan GTĐT mới đã cải thiện tính hiệu quả cho mạng MANET trên các khả năng tìm đường thay thế, phục hồi tuyến, cân bằng tải, từ đó góp phần nâng cao hiệu năng và chất lượng truyền tin của mạng MANET, đặc biệt là giảm đáng kể về tỷ lệ phân phối, độ trễ đầu cuối, thông lượng và chi phí định tuyến gói giữa các nút
Với xu hướng cải tiến của công nghệ truyền thông không dây, mạng không dây đã thu hút được sự quan tâm chú ý và phát triển ngày càng mạnh mẽ, mạng MANET sẽ tiếp tục được ứng dụng rộng rãi hơn nữa Tác giả tiếp tục hướng tới xây dựng nhiều kịch bản mô phỏng và đa dạng các tiêu chí đánh giá hiệu năng khác nhau với các GTĐT khác trong mạng MANET để so sánh và đánh giá hiệu năng của GTĐT được cải tiến PLBM-AODV Từ đó tăng cường khả năng thay thế hoặc phục hồi nhanh chóng khi tuyến đường bị hỏng cũng như cải thiện việc cân bằng tải, nâng cao hiệu năng và chất lượng dịch vụ cho mạng MANET
[1] Walikar, G.A and Biradar, S.R “Brief study of performance of routing protocols for mobile MANET networks in Ns-2,” IOSR J Comput Eng (IOSRJCE) Vol 2, no 3, pp 35– 39 (2278-0661), 2012
[2] Busola et al “A review of the energy efficient and secure multicast routing protocols for mobile MANET networks,” J Appl Graph Theory Wirel MANET Netw Sensor Netw Vol 2, p 2, 2010
[3] Biradar, R.C et al “Agent-based adaptive bandwidth allocation wireless networks,” IETE J Res Vol 53, no 2, pp 127–136, 2007
[4] Md Zakirul Alam Bhuiyan et al “Deploying Wireless Sensor Networks with
Fault-Tolerance for Structural Health Monitoring,” IEEE Transactions on Computers Vol 64, no 2, pp 382–395, 2015
[5] Patrick Lieser et al “Architecture for Responsive Emergency CommunicationsNetworks,” In Proc IEEE Global Humanitarian Technology Conference (GHTC) Pp 1-9, 2017
[6] Paolo Bellavista et al “Self-Organizing Seamless Multimedia Streaming in
Dense MANETs,” IEEE Pervasive Computing Vol 12, no 1, pp 68-78, 2013
[7] Paul J Nicholas and Karla L Hoffman “Optimal Channel Assignment for Military MANET using Integer Optimization and Constraint Programming,” IEEE Military Communications Conference Pp 1114–1120, 2016
[8] Nizar Alsharif and Xuemin Shen “iCAR-II: Infrastructure-Based Connectivity Aware Routing in Vehicular Networks,” IEEE Trans on Vehicular Tech Vol 66, no 5, pp 4231-4244, 2017