Broadcast xác suất cho kỹ thuật Flooding trong mạng Manet

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ DƯƠNG LÊ MINH BROADCAST XÁC SUẤT CHO KỸ THUẬT FLOODING TRONG MẠNG MANET Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã số : 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI THẾ DUY Hà Nội - 2007 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .2 CHƢƠNG MỞ ĐẦU .3 CHƢƠNG I MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung .6 1.1.1 Lịch sử phát triển phân loại mạng không dây .6 1.1.1.1 Các đặc trưng truyền thông không dây .7 1.1.1.2 Phân loại mạng không dây 1.1.2 Đặc điểm ứng dụng MANET .10 1.1.2.1 Đặc điểm MANET .10 1.1.2.2 Các ứng dụng MANET 12 1.2 Một số vấn đề bật mạng adhoc di động 14 1.2.1 Điều khiển hình trạng mạng 14 1.2.1.1 Giới thiệu 14 1.2.1.2 Mơ hình tiếp cận dùng điều khiển hình trạng mạng 15 1.2.2 Bảo tồn lượng 16 1.2.2.1 Giới thiệu 16 1.2.2.2 Một số hướng xây dựng kỹ thuật trì lượng 17 1.2.3 Định tuyến 19 1.2.3.1 Giới thiệu 19 1.2.3.2 Một số đặc trưng nhóm giao thức 20 1.2.4 An ninh mạng ad hoc 23 1.2.4.1 Giới thiệu 23 1.2.4.2 Những nguy cơng số giải pháp phịng tránh 24 1.3 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG II FLOODING TRONG MANET VÀ PHƢƠNG PHÁP CẢI TIẾN .28 2.1 Broadcast MANET vấn đề liên quan 28 2.1.1 Broadcast MANET 28 2.1.1.1 Một số ứng dụng .28 2.1.1.2 Flooding mù 29 2.1.2 Dư thừa gói tin, tranh chấp xung đột Broadcast 30 2.1.2.1 Dư thừa hoạt động broadcast 31 2.1.2.2 Tranh chấp broadcast 32 2.1.2.3 Va chạm broadcast 33 2.1.3 Một số kỹ thuật Flooding cải tiến dùng cho Broadcast 33 2.1.3.1 Flooding dựa phân cụm (clustering-based flooding) 33 2.1.3.2 Flooding dựa đếm (counter-based flooding) 35 2.1.3.3 Flooding dựa khoảng cách (distance-based flooding) .35 2.1.3.4 Flooding dựa xác suất (probabilistic-based flooding) .37 2.2 Broadcast xác suất dùng kỹ thuật flooding 37 2.2.1 Hiện tượng chuyển pha 37 2.2.1.1 Lý thuyết thẩm thấu 38 2.2.1.2 Đồ thị ngẫu nhiên 39 2.2.2 Ứng dụng tượng chuyển pha vào kỹ thuật flooding 40 2.2.2.1 Mơ hình lưới vng (square grid model) 41 2.2.2.2 Mơ hình bán kính cố định (fixed radius model) .41 2.3 Kết luận chƣơng 42 CHƢƠNG III THỬ NGHIỆM THÔNG QUA MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .43 3.1 Giới thiệu thử nghiệm thông qua mô 43 3.2 Lựa chọn công cụ mô 44 3.2.1 Một số công cụ mô phổ biến .44 3.2.2 Network simulator (NS-2) 45 3.3 Xây dựng kịch mô .46 3.3.1 Một số tham số chung cho kịch 46 3.3.2 Flooding xác suất điều kiện mạng lý tưởng 47 3.3.3 Flooding xác suất điều kiện mạng thực tế 47 3.3.4 Cài đặt kỹ thuật flooding theo xác suất NS-2 .48 3.4 Kết mô đánh giá 49 3.4.1 Một số cấu hình chung mô .49 3.4.2 Kết đầu mô 49 3.4.3 Kết mô điều kiện lý tưởng 50 3.4.4 Kết mô điều kiện mạng thực 52 3.5 Kết luận chƣơng 56 KẾT LUẬN 57 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AODV Ad hoc On-demand Distance Vector CDMA Code Division Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Vectơ khoảng cách theo yêu cầu mạng ad hoc Đa truy cập phân chia mã Đa truy cập sóng mang với khả tránh đụng độ DARPA Defense Advanced Research Projects Cơ quan quản lý dự án cao Agency cấp Bộ Quốc phòng Mỹ DSDV Destination-Sequence Distance Vectơ khoảng cách theo trình tự Vector đích GPS MANET MSC OLSR Global System for Mobile Communications Global Positioning System Mobile Adhoc Network Mobile switching centre Optimized Link State Routing OSI Open Systems Interconnection Hệ thống liên lạc di động toàn cầu Hệ thống định vị tồn cầu Mạng ad hoc khơng dây di động Trung tâm chuyển mạch Định tuyến trạng thái kết nối tối ưu Mơ hình liên kết hệ thống mở PAN PSTN Personal Area Network Public switched telephone network RTS/CTS TDMA UAV UGV WLAN WMAN WNIC Request To Send/Clear To Send Time Division Multiple Access Unmanned Airbone Vehicles Unmanned Ground Vehicles Wireless Local Area Network Wireless Metropolian Area Network Wireless Network Interface Card Mạng cá nhân Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Yêu cầu gửi/Làm để gửi Đa truy cập phân chia thời gian Thiết bị tự trị không Thiết bị tự trị mặt đất Mạng không dây cục Mạng không dây thành phố Cạc giao diện mạng không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân GSM DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Hai mơ hình broadcast tối ưu MANET Mỗi gạch nối biểu cho liên kết nút Nút trắng nút nguồn, nút xám nút broadcast lại 31 Hình Vùng hưởng lợi từ broadcast lại: A gửi thông điệp broadcast B định xem có nên broadcast lại không 31 Hình Bốn cụm B, C, F J với ba bốn nút gateway .34 Hình Chuyển pha 38 Hình Thẩm thấu khung (các cạnh mở tô đậm) 39 Hình Thẩm thấu khối (các ô mở tô đen) 39 Hình Đồ thị GB 40 Hình Mơ hình lưới vng (square grid model) 41 Hình Mơ hình bán kính cố định (fixed radius model) .41 Hình 10 Tỷ lệ sử dụng số công cụ mô [11] 44 Hình 11 Mạng không dây với điều kiện lý tưởng Số lượng hàng xóm node 51 Hình 12 Mạng thực: tỷ lệ thành công với 25 node, phạm vi truyền sóng 100m 53 Hình 13 Mạng thực: tỷ lệ thành cơng với 25 100 node (với 100 node thử với tần suất phát tin 5pkt/s 8pkt/s), phạm vi truyền sóng 250m .54 CHƢƠNG MỞ ĐẦU Lĩnh vực mạng không dây phát triển với tốc độ cao, đặc biệt vòng thập kỷ gần Sự phát triển nhanh chóng ứng dụng khơng dây tính thiết bị ngày nâng cao giá thành thấp làm cho chúng ngày đóng vai trò quan trọng sống Ngày thấy diện thiết bị di động khắp nơi máy tính xách tay, PDA, điện thoại di động… Rất nhiều ứng dụng dịch vụ dành cho thiết bị không dây phát triển sử dụng Người dùng sử dụng thiết bị không dây dịch vụ kết nối mạng tương ứng để thực công việc mà trước làm với mạng hữu tuyến vừa mua hàng, vừa duyệt web để so sánh giá cả; đọc email xe buýt hay theo dõi tiến độ dự án thông qua Internet ngồi quán cafe… Các kỹ thuật mạng không dây khơng ngừng cải tiến để đáp ứng tốt yêu cầu người dùng Nếu dựa vào kiến trúc mạng, phân chia mạng không dây thành hai loại: mạng không dây dựa sở hạ tầng cố định mạng adhoc Loại thứ loại mạng khơng dây có cấu tạo dựa số nút gateway mạng cố định hữu tuyến (các thiết bị không dây liên lạc với kết nối Internet thơng qua Access point chẳng hạn) Trong đó, mạng khơng dây động ad hoc hiểu mạng thiết lập trường hợp đặc biệt mà thiết bị di động cần ứng dụng mạng để hoạt động sở hạ tầng mạng cố định khơng có sẵn khơng sử dụng Các nút mạng ad hoc bình đẳng liên lạc với thơng qua nút trung gian khác mạng Trong thời gian gần đây, công nghệ mạng ad hoc quan tâm cách đặc biệt vai trị quan trọng nhu cầu ứng dụng thiết lập liên lạc thiết bị agent tự trị quân đội, thiết lập nhóm làm việc qua mạng bãi hoạt động ngoại khoá trường học hay việc liên lạc hỗ trợ xe đường phố… Một vấn đề gặp phải triển khai ứng dụng mạng ad hoc việc mạng phải có khả tự cấu hình mà node mạng chuyển động tự Các node mạng phải tự động cập nhật bảng định tuyến cách thường xuyên để giữ liên lạc với node khác mạng Do tính di động node nên hình trạng mạng khơng dây ad hoc khơng cố định Chính lý đó, hầu hết thuật tốn định tuyến sử dụng kỹ thuật flooding để làm công việc lấy thơng tin tuyến đường kỹ thuật khơng địi hỏi phải biết hình trạng mạng Tư tưởng kỹ thuật node gốc thực việc broadcast gói tin đến node hàng xóm Đến lượt mình, node lại chuyến tiếp gói tin đến node hàng xóm khác node mạng nhận gói tin Một nhược điểm nhìn thấy node nhận nhiều gói tin giống trình flooding Vấn đề chỗ, mà băng thông kênh liên lạc không dây hạn chế số lượng node mạng lớn việc có nhiều gói tin giống làm lãng phí lượng lớn băng thơng tài nguyên node mạng Điều dẫn đến nhu cầu cần phải có biện pháp cải tiến nhằm giảm thiểu dư thừa, lãng phí Một giải pháp cải tiến kỹ thuật flooding cách tiếp cận xác suất broadcast Thay việc chuyển tiếp gói tin đến mình, node chuyển tiếp gói tin theo xác suất Như vậy, khơng phải node chuyển tiếp gói tin đến node hàng xóm gói tin broadcast node nguồn đến tất node mạng Khi mà số lượng node broadcast lại gói tin giảm rõ ràng số lượng gói tin dư thừa sinh quát trình flooding giảm thiểu Đây giải pháp tốt hiệu cho vấn đề giảm tải băng thông mạng adhoc Việc tìm xác suất phù hợp với mơ hình mạng tham số điều chỉnh liên quan có ý nghĩa quan trọng việc đưa ứng dụng mạng ad hoc vào sống hàng ngày Cơng việc tìm hiểu, nghiên cứu thực thi giải pháp thiết thực cần có đầu tư nghiên cứu lâu dài Ở nước ta, cơng trình nghiên cứu mạng di động không dây ad hoc chưa nhiều kết thu hạn chế Hiện nay, việc nghiên cứu thuật toán, giao thức mạng ad hoc khơng dây di động thực gặp nhiều khó khăn khả thiết lập mạng địi hỏi nhiều cơng sức tài Do vậy, hầu hết nghiên cứu thực dựa công cụ mô Nhiều công cụ mơ với tính xác cao xây dựng đông đảo nhà nghiên cứu sử dụng, kết đạt thông qua mô công cụ đăng nhiều tạp chí khoa học lớn có uy tín giới Tuy nhiên, phát triển ngày hồn thiện cơng cụ mơ nên kết nghiên cứu cần phải kiểm nghiệm lại cách cẩn trọng Luận văn “Broadcast xác suất cho kỹ thuật flooding mạng MANET” vào nghiên cứu cải tiến mức thấp thuật toán định tuyến – kỹ thuật flooding theo xác suất - nhằm đưa kết luận tính khả thi kỹ thuật cải tiến việc góp phần cải thiện hiệu suất hoạt động mạng Việc triển khai thử nghiệm kỹ thuật luận văn, khơng nằm ngồi xu hướng nghiên cứu chung, thực dựa công cụ mô tin cậy cho số kết tốt Về bố cục, nội dung luận văn bao gồm chương: Chương mở đầu Giới thiệu mục đích luận văn, phương pháp nghiên cứu cách thức triển khai thử nghiệm Chương Trình bày tổng quan mạng không dây: lịch sử phát triển, phân loại, khái niệm mạng MANET đặc trưng, Chương Trình bày broadcast mạng MANET, kỹ thuật flooding số cải tiến, nghiên cứu số lý thuyết liên quan đến kỹ thuật flooding theo xác suất Chương Đề xuất số mơ hình thử nghiệm kỹ thuật flooding xác suất mạng MANET dựa phần mềm mô NS-2, triển khai mô đánh giá kết đạt Phần kết luận nêu tóm tắt vấn đề trình chương, đánh giá kết đạt chưa đạt được, đồng thời đưa định hướng nghiên cứu, phát triển Ngồi bốn chương phần kết luận, luận văn cịn có thêm phần danh mục danh mục từ viết tắt, danh mục hình vẽ danh mục tài liệu tham khảo để thuận tiện cho việc đọc tìm hiểu nội dung luận văn CHƢƠNG I MẠNG AD HOC KHÔNG DÂY DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Lịch sử phát triển phân loại mạng không dây Nửa sau kỷ XX chứng kiến chuyển biến lớn lĩnh vực liên lạc điện tử, bao gồm xuất mạng liệu gói, phát triển mạng cục tốc độ cao đặc biệt phát triển mạng truyền thông khơng dây di động với điển hình mạng điện thoại di động hệ thống liên lạc vệ tinh Trong vịng thập kỷ gần đây, cơng nghệ mạng không dây kể vào trở thành phần thiếu sống đại Lĩnh vực mạng không dây phát triển với tốc độ cao với nhiều ứng dụng đời Hiện nay, hầu hết kết nối thiết bị không dây phải thông qua nhà cung cấp với hạ tầng sở dịch vụ mạng cố định Hai ví dụ thường gặp máy điện thoại di động kết nối với thơng qua trạm phát sóng nhà cung cấp dịch vụ; máy tính xách tay kết nối Internet thông qua access point… Việc thiết lập kết nối mạng không dây thông qua sở hạ tầng mạng cố định cách mà hay làm nay, nhiên thời gian giá thành để cài đặt mạng lại khơng nhỏ Ngồi ra, khơng phải điều kiện cài đặt hạ tầng sở mạng cố định được, chí khơng thể cài đặt khơng thể cài đặt kịp Chúng ta kể số ví dụ việc thiết lập mạng truyền video chiến trường; cứu hộ thiên tai cần phải có mạng dùng để xác định vị trí người cứu hộ; chí phải thiết kế mạng khơng dây giá thành thiết kế mạng cố định cao so với lực tài chủ đầu tư… Để thực việc cung cấp kết nối mạng dịch vụ tương ứng tình vậy, cần phải có mạng kiểu ad hoc di động Khái niệm “mạng di động ad hoc” (MANET) hiểu mạng thiết lập trường hợp đặc biệt mà thiết bị tính tốn di động cần ứng dụng mạng để hoạt động sở hạ tầng mạng cố định khơng có sẵn khơng phép sử dụng Thông thường, mạng tồn thời gian ngắn phục vụ cho công việc cụ thể Mạng phải có khả tự cấu hình để tương thích với tính di động thiết bị, thay đổi liên tục mơi trường mục đích sử dụng mạng [28] Từ đặc điểm vậy, thực tế đặt cần phải có yêu cầu thiết kế cho mạng ad hoc Yêu cầu mạng phải có khả tự cấu hình địa định tuyến Sự liên lạc truyền liệu người dùng mạng ad hoc phải đảm bảo suốt trình tồn mạng Ngồi ra, số dịch vụ dựa vị trí trước chưa có mạng hữu tuyến cần phải quan tâm nghiên cứu để hỗ trợ tính di động mạng Những năm gần đây, với hỗ trợ tiến công nghệ, hàng loạt nghiên cứu để giải vấn đề tiến hành Tất nghiên cứu tập trung quanh việc xây dựng thiết bị di động cho chúng liên lạc với phạm vi truyền tín hiệu có khả tự động cấu hình, qua thiết lập mạng ad hoc di động với đầy đủ tính linh động hiệu Theo cách này, khơng nút di động liên lạc với nhau, mà cịn nhận dịch vụ Internet thông qua nút với vai trị Internet gateway Khi mà mạng khơng dây ngày phát triển tính ad hoc ngày trở nên quan trọng yêu cầu phải có giải pháp công nghệ nghiên cứu chuyên sâu để hỗ trợ tính trở nên cấp thiết 1.1.1.1 Các đặc trƣng truyền thông không dây Hoạt động mạng khơng dây nói chung thường hiểu sử dụng tín hiệu hồng ngoại sóng radio để chia sẻ thông tin tài nguyên thiết bị Do cấu tạo khác biệt tầng vật lý thiết bị mạng không dây, đưa số đặc trưng chủ yếu truyền thông không dây sau [5]:  Khả bị nhiễu cao dẫn đến tính tin cậy thấp: tín hiệu hồng ngoại dễ bị nhiễu tác động nguồn nhiệt ánh sáng mặt trời; tín hiệu radio thường bị ảnh hưởng thiết bị điện khác gần  Tốc độ truyền liệu thường thấp nhiều so với mạng hữu tuyến, dẫn đến chất lượng dịch vụ giảm, thời gian cài đặt hệ thống tăng lên độ trễ lớn  Các nút có tính di động nên hình trạng mạng (topology) ln thay đổi  Các thiết bị di động thường nhỏ gọn phải dùng pin để hỗ trợ khả di động Chính kích thước ổ đĩa, nhớ khả tính tốn giảm ... Luận văn ? ?Broadcast xác suất cho kỹ thuật flooding mạng MANET? ?? vào nghiên cứu cải tiến mức thấp thuật toán định tuyến – kỹ thuật flooding theo xác suất - nhằm đưa kết luận tính khả thi kỹ thuật cải... tham số chung cho kịch 46 3.3.2 Flooding xác suất điều kiện mạng lý tưởng 47 3.3.3 Flooding xác suất điều kiện mạng thực tế 47 3.3.4 Cài đặt kỹ thuật flooding theo xác suất NS-2... tiến, nghiên cứu số lý thuyết liên quan đến kỹ thuật flooding theo xác suất Chương Đề xuất số mô hình thử nghiệm kỹ thuật flooding xác suất mạng MANET dựa phần mềm mô NS-2, triển khai mô đánh