Mạng đặc biệt di động với IEEE 802.11b và Bluetooth

1.2 Định nghĩa mạng đặc biệt di động 1.2.1 Định nghĩa Định nghĩa mạng đặc biệt di động MANET – Mobile Ad-hoc NETwork: Là một mạng được hình thành bởi một tập các nút máy/thiết bị không

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THỊ VÂN HẢI

Người hướng dẫn khoa học:

PGS TS NGUYỄN VĂN TAM

Hà Nội – 2005

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 10

1 Nền tảng và mục đích 10

2 Cấu trúc của luận văn 10

Chương 1 ĐỊNH NGHĨA MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG 12

1.1 Thế nào được gọi là đặc biệt (ad-hoc) 12

1.2 Định nghĩa mạng đặc biệt di động 12

1.2.1 Định nghĩa 12

1.2.2 Các thuật ngữ của mạng đặc biệt di động 14

1.3 Các ứng dụng của mạng đặc biệt di động 14

1.3.1 Ứng dụng trong quân đội 14

1.3.2 Các ứng dụng trong cuộc sống 15

1.3.3 Tính toán “khắp nơi” (Ubiquitous computing) 17

1.3.4 Mạng cảm biến (Sensor networks) 18

1.3.5 Mạng “nóc nhà” (Rooftop networks) 18

1.3.6 Mở rộng phạm vi của điểm truy cập 19

1.4 Tổng kết 20

Chương 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG 21

2.1 Hiệu suất 21

2.1.1 Thông lượng 21

2.1.2 Độ trễ đầu cuối 22

2.2 Độ tin cậy 22

2.3 An ninh 22

2.3.1 Thách thức 23

2.3.2 Một số kiểu tấn công 24

2.3.3 Đảm bảo an ninh đối với các giao thức định tuyến 26

2.3.4 Các chiến lược an ninh cho mạng ad-hoc 27

2.4 Cấu hình tự động 27

2.5 Kết nối với các mạng ngoài 29

2.6 Mobile IP 30

2.7 Định tuyến 30

2.7.1 Destination-sequenced distance vector (DSDV) 32

2.7.2 Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV) 33

2.7.3 Dynamic Source Routing (DSR) 34

2.7.4 Zone Routing Protocol (ZRP) 34

2.8 Chất lượng dịch vụ 35

2.9 Tổng kết 36

Chương 3 CÁC CÔNG NGHỆ CHO MẠNG MANET 38

3.1 Tổng quan 38

3.1.1 Các đặc tả của IEEE 802.11 38

3.1.2 Công nghệ không dây Bluetooth 39

3.2 Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b 40

3.2.1 Các chế độ hoạt động 40

3.2.2 Mô hình kiến trúc 41

3.2.3 Tầng vật lý 42

3.2.4 Tầng MAC 43

3.2.4.1 DCF – Distributed Coordination Function 45

3.2.4.2 PCF – Point Coordination Function 48

3.2.5 An ninh 49

3.2.6 Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b 49

3.3 Mô hình kiến trúc và giao thức của Bluetooth 52

3.3.1 Bluetooth và IEEE 802.15 WPAN 52

3.3.2 Mạng Bluetooth 53

3.3.3 Kiến trúc Bluetooth (Ngăn xếp giao thức) 54

3.3.4 Tầng tần số vô tuyến của Bluetooth (RF – Radio Frequency Layer) 55

3.3.5 Tầng dải tần cơ sở (Bluetooth baseband) 55

3.3.5.1 Cấu trúc frame của Bluetooth 57

3.3.5.2 Các kiểu gói tin chung 59

3.3.5.3 Các kiểu gói tin của liên kết ACL 59

3.3.5.4 Các kiểu gói tin của liên kết SCO 60

3.3.5.5 Thủ tục điều tra (inquiry) và “tìm gọi (paging)” 60

3.3.6 Tầng L2CAP Bluetooth 61

3.3.7 An ninh mạng của Bluetooth 61

3.3.8 Mạng ad-hoc Bluetooth 62

3.4 Tổng kết 64

Chương 4 MỘT SỐ SO SÁNH GIỮA IEEE 802.11b và BLUETOOTH 65

4.1 Mạng ad-hoc với BAN và PAN 65

4.2 Một số so sánh giữa IEEE 802.11b và Bluetooth 66

4.2.1 Tầng MAC 66

4.2.1.1 Phương pháp truy cập 66

4.2.1.2 Độ trễ truy cập 67

4.2.2 Khám phá hàng xóm 67

4.2.3 Tiêu thụ năng lượng 69

4.3 Triển khai mô phỏng và các kết quả 69

4.3.1 Mục đích mô phỏng 70

4.3.2 Các độ đo 70

4.3.3 Thiết lập mô phỏng 71

4.3.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 72

4.3.5 Tổng kết 77

KẾT LUẬN 79

PHỤ LỤC 81

1 Các bộ mô phỏng mạng 81

2 NS-2 81

3 Hỗ trợ của NS-2 đối với IEEE 802.11b 85

4 Các mở rộng của NS-2 cho Bluetooth 85

5 Tổng kết 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Danh sách các hình vẽ

Hình vẽ 1-1: Một mạng MANET gồm 7 nút Hình tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của mỗi nút Các nút nằm trong phạm vi hoạt động của nhau có thể truyền thông

trực tiếp được với nhau .13

Hình vẽ 1-2: Mô hình di động của mạng MANET thuần túy và giải pháp dùng trong quân đội 15

Hình vẽ 1-3: Mạng ad-hoc thuần túy (môi trường trên xe buýt) 17

Hình vẽ 1-4: Mạng “nóc nhà” Một nhà cung cấp dịch vụ Internet có thể triển khai dịch vụ trên một vùng rộng lớn mà không cần phải lo chi phí về cáp tới từng gia đình, đặc biệt ở các vùng nông thôn (Nguồn: Nokia Rooftop [35]) 19

Hình vẽ 2-1: Ngay trong một cấu hình đơn giản, hiệu suất vẫn giảm đáng kể khi sử dụng công nghệ ad-hoc Nếu nút A muốn gửi gói tin cho C, gói tin phải đi qua B Khi B nhận được gói tin, B sẽ truyền tiếp tới C, do đó khóa kênh truyền (không khí) Vì A và C đều ở trong phạm vi hoạt động của B nên không nút nào có thể truyền tin cho đến khi B kết thúc việc truyền tiếp gói tin cho C 21

Hình vẽ 2-2: Nút A là đường liên kết duy nhất giữa các nhóm nút bên trái và nhóm nút bên phải Nếu nút A di chuyển ra ngoài dịch vụ hoặc di chuyển ra ngòai phạm vi của một trong hai nhóm nút láng giềng thì mạng sẽ bị phân mảnh – tất các các liên lạc giữa hai nhóm nút này sẽ không còn nữa 22

Hình vẽ 2-3: Cấu trúc bảng định tuyến của giao thức định tuyến DSDV 32

Hình vẽ 2-4: Ví dụ về thuật toán định tuyến ZRP 35

Hình vẽ 3-1: Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802 39

Hình vẽ 3-2: Đặc điểm chính của các chuẩn IEEE 802.11 và Bluetooth .40

Hình vẽ 3-3: Các chế độ hoạt động của IEEE 802.11b: Basic Service Set (Tập dịch vụ cơ bản), Extended Service Set (Tập dịch vụ mở rộng) và Independent Basic Service Set (Tập dịch vụ cơ bản độc lập) .41

Hình vẽ 3-4: Kiến trúc của IEEE 802.11 42

Hình vẽ 3-5: Quá trình “chipping” 43

Hình vẽ 3-6: Vấn đề trạm ẩn A và C là ở ngoài vùng hoạt động của nhau A muốn truyền dữ liệu tới B nhưng không thể “nghe” được rằng B đang bận 44

Hình vẽ 3-7: Vấn đề exposed station B muốn gửi dữ liệu tới C nhưng lại cho rằng

việc truyền tin đang bị lỗi .45

Hình vẽ 3-8: CSMA/CA 46

Hình vẽ 3-9: Xung đột 46

Hình vẽ 3-10: CSMA/CA với cảm nhận sóng mang ảo .48

Hình vẽ 3-11: Sử dụng frame ATIM .50

Hình vẽ 3-12: Cửa sổ ATIM 51

Hình vẽ 3-13: Tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm năng lượng 52

Hình vẽ 3-14: Bluetooth piconet .53

Hình vẽ 3-15: Bluetooth scatternet .54

Hình vẽ 3-16: Kiến trúc Bluetooth 55

Hình vẽ 3-17: Truyền tin theo một hoặc nhiều khe thời gian 56

Hình vẽ 3-18: Truyền tin theo liên kết SCO và ACL .57

Hình vẽ 3-19: L2CAP với các tầng giao thức khác 61

Hình vẽ 4-1: Thông lượng TCP của IEEE 802.11b và Bluetooth piconet khi số lượng slave tăng từ 1 đến 7 73

Hình vẽ 4-2: Thông lượng TCP của mạng IEEE 802.11b và Bluetooth piconet khi số lượng piconet tăng từ 1 đến 5 .74

Hình vẽ 4-3:Thông lượng của từng kết nối TCP riêng lẻ trong IEEE 802.11b và Bluetooth khi số lượng các nút mạng là 30 (5 piconet) 75

Hình vẽ 4-4: Thông lượng TCP của IEEE 802.11b và Bluetooth piconet, một nửa số lượng kết nối trong piconet là giữa 2 slave với nhau 75

Hình vẽ 4-5: Phân bố lũy tiến độ trễ của các gói tin tiếng nói trong IEEE 802.11b 76

Hình vẽ 4-6: Phân bố lũy tiến độ trễ của các gói tin tiếng nói trong Bluetooth 77

Danh sách các bảng

Bảng 3-1: Các kiểu gói tin của liên kết ACL 60Bảng 3-2: Các kiểu gói tin của liên kết SCO 60Bảng 4-1: Tỷ lệ mất gói tin đối với gói tin tiếng nói 77

Bảng các từ viết tắt

AODV Ad-hoc On-demand Distance Vector

ACL Asynchronous Connection-Less

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

ARP Address Resolution Protocol

ATIM Announcement Traffic Indication Message

BGP Border Gateway Protocol

BNEP Bluetooth Network Encapsulation Protocol

BOOTP BOOTstrap Protocol

BSS Basic Service Set

CAC Channel Access Code

CCK Complementary Code Keying

CRC Cyclic Redundancy error Check

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance

DCF Distributed Coordination Function

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol

DIFS Distributed InterFrame Space

DoS Denial of Service

DRR Deficit Round Robin

DSDV Destination-Sequenced Distance Vector

DSR Dynamic Source Routing

DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum

DV Data Voice (packet)

EIFS Extended InterFrame Space

ESS Extended service Set

FEC Forward Error Correction

FHS Frequency Hop Synchronization

FHSS Frequency-Hopping Spread Spectrum

FTP File Transfer Protocol

GIAC General Inquiry Access Code

HV High quality Voice (packet)

IAC Inquiry Access Code

IBSS Independent Basic Service Set

IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineering

IETF Internet Engineering Task Force

IP Internet Protocol

ISM Industrial Scientific Medical band (2.4GHz)

ISP Internet Service Provider

L2CAP Logical Link Control and Adaptation layer Protocol

LMP Link Management Protocol

MAC Media Access Control

MANET Mobile Ad-hoc Network

MIPMANET Mobile IP MANET

NAT Network Address Translation

NAV Network Allocation Vector

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OLSR Optimized Link State Routing protocol

OSI Open Systems Interconnection

OSPF Open Shortest Path First protocol

PAN Personal Area Network

PCF Point Coordination Function

PDA Personal Digital Assistant

PRnet Packet Radio network

QoS Quality of Service

RF Radio Frequency layer

RFC Request For Comment

RIP Routing Information Protocol

SCO Synchronous Connection Oriented

SIFS Short InterFrame Space

SIG Special Interest Group

TCP Transmission Control Protocol

TDD Time Division Duplex

TORA Temporally Ordered Routing Algorithm

UNII Unlicensed National Information Infrastructure

WEP Wireless Encryption Protocol

ZCN Zero Configuration Networking

ZRP Zone Routing Protocol

MỞ ĐẦU

1 Nền tảng và mục đích

Mạng đặc biệt di động (Mobile Adhoc Network - MANET) là tập các máy (host) di động không dây tự hình thành nên một mạng tạm thời không cần có sự trợ giúp nào của một cơ sở hạ tầng mạng có sẵn

Những mạng như vậy có rất nhiều ứng dụng trong quân đội, trong các trường hợp phản ứng với thảm họa hoặc trong mạng cá nhân (PAN – Personal Area Network) do tính tự hỗ trợ, không nhất thiết phải có một cơ sở hạ tầng truyền thông có sẵn

Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng ad-hoc có từ những năm 70 khi nghiên cứu về công nghệ Mobile Packet Radio, hiện tại vẫn còn rất nhiều vấn đề về mạng ad-hoc dành được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu:

có cho phép xây dựng các mạng ad-hoc nhỏ, cùng việc triển khai các ứng dụng trên

đó Trước tiên phải kể đến IEEE 802.11b là một chuẩn công nghệ mạng không dây được sử dụng rộng rãi nhất đối với WLAN Ngoài ra trên thị trường có rất nhiều thiết

bị tương thích với WLAN IEEE 802.11b là một chuẩn rất tốt cho xây dựng mạng ad hoc đơn chặng Bên cạnh đó là Bluetooth, một chuẩn công nghệ trong thực tế cho phép xây dựng các mạng ad-hoc trong bán kính 10m Do đó mục đích của luận văn này là nhằm khám phá việc sử dụng hai công nghệ này để triển khai các mạng đặc biệt

di động ở phạm vi nhỏ Luận văn trình bày về mạng ad-hoc, kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b và Bluetooth, phân tích và so sánh hiệu suất của hai công nghệ này

2 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận văn này được bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu và đưa ra định nghĩa về mạng MANET cùng các ứng dụng và ngữ cảnh sử dụng của mạng

Chương 2: Các vấn đề đang là mối quan tâm nghiên cứu hiện nay của mạng MANET

Chương 3: Các công nghệ không dây, tập trung vào IEEE 802.11b và Bluetooth và tính phù hợp của mỗi công nghệ này đối với mạng đặc biệt di động

Chương 4: So sánh và khám phá hiệu suất hoạt động của IEEE 802.11b và Bluetooth trong phạm vi hoạt động nhỏ

Cuối cùng là phụ lục và tài liệu tham khảo Trong phần phụ lục có giới thiệu về

bộ mô phỏng mạng NS-2, là bộ mô phỏng đã được dùng để nghiên cứu IEEE 802.11b và Bluetooth trong luận văn này

Chương 1 ĐỊNH NGHĨA MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG

Chương này định nghĩa mạng đặc biệt di động (MANET – Mobile Ad-hoc Network)

và các đặc trưng của nó Sau đó sẽ giới thiệu tổng quan về các ứng dụng trong đó vai trò của mạng MANET là rất cần thiết

1.1 Thế nào được gọi là đặc biệt (ad-hoc)

Theo từ điển Lạc Việt – 2002, “ad hoc” có nghĩa như sau:

ad hoc (adj): đặc biệt, không dự tính trước, không theo thể thức

Theo từ điển Webster, “ad hoc” được định nghĩa như sau:

ad hoc adj 1: often improvised or impromptu; “an ad hoc committee meeting” 2: for or concerned with one specific purpose; “a coordinated policy instead of ad hoc decisions” adv: for one specific case; “they were appointed ad hoc”

Khi thuật ngữ ad-hoc được sử dụng trong mạng máy tính, nó chỉ một mạng tự phát, gồm các nút, được tạo ra nhân một sự kiện hoặc nhu cầu nào đó Điều này có nghĩa là một mạng MANET có thể có tuổi thọ rất ngắn, ngược lại hoàn toàn với mạng h ữu tuyến truyền thống – được lắp đặt và tồn tại trong một khoảng thời gian rất dài mà không hề thay đổi về cấu trúc Ngữ cảnh sử dụng mạng MANET sẽ được giới thiệu trong các phần sau

1.2 Định nghĩa mạng đặc biệt di động

1.2.1 Định nghĩa

Định nghĩa mạng đặc biệt di động (MANET – Mobile Ad-hoc NETwork):

Là một mạng được hình thành bởi một tập các nút (máy/thiết bị) không dây, di động mà không hề có bất cứ sự trợ giúp nào của một trạm quản lý tập trung, một cơ sở hạ tầng truyền thông có trước hoặc sự can thiệp của người dùng Việc truyền thông giữa các nút được thực hiện nếu như hai nút là đủ gần nhau

để trao đổi các gói tin

Có thể hình dung mạng MANET như một đồ thị, trong đó các nút mạng được biểu diễn bởi các đỉnh của đồ thị Nếu hai nút có thể truyền thông trực tiếp với nhau, liên kết đó được biểu diễn bởi đường nối giữa hai nút Đồ thị biểu diễn này là một đồ thị tùy ý, có thể thay đổi hình dạng tại bất cứ thời điểm nào

Hình vẽ 1-1: Một mạng MANET gồm 7 nút Hình tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của mỗi nút Các nút nằm trong phạm vi hoạt động của nhau có thể truyền thông trực tiếp được với nhau

Mạng MANET có thể là một mạng tách biệt, cũng có thể được kết nối với một mạng khác lớn hơn, ví dụ mạng Internet

Để tiện tham khảo hơn, xin đưa ra một định nghĩa về mạng MANET bằng tiếng Anh [21]:

A collection of wireless mobile hosts forming a temporary network without the aid of any centralized administration or standard support services regularly available on the wide-area network to which the hosts may normally be connected

Theo [13], kết nối giữa các nút được kiểm soát bởi khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành một mạng “dính liền”, mặc dù là tạm thời

(1) Khoảng cách giữa các nút: Trong mạng ad-hoc, ngoài các nút mạng, không cần thiết phải có thêm bất cứ một cơ sở hạ tầng mạng nào cả Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng Chỉ cần hai hoặc nhiều nút chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng ad-hoc Chính sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây ra bản chất đặc biệt (ad-hoc) của mạng

(2) Tính sẵn sàng hợp tác: (1) chỉ là điều kiện cần, chưa phải là điều kiện đủ để thành lập mạng ad-hoc Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định “online” hay

“offline”

(3) Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc được xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định Một nút luôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng Do đó, mạng được coi

là tạm thời Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer)

1.2.2 Các thuật ngữ của mạng đặc biệt di động

Các thuật ngữ của mạng đặc biệt di động được sử dụng trong luận văn này:

Nút mạng (node): Các máy tính/thiết bị riêng lẻ tham gia vào mạng ad-hoc

Một mạng đặc biệt di động có thể được biểu diễn như trong Hình vẽ 1-1 Hai

nút là có liên kết với nhau bởi một đường liên kết (link) nếu như chúng ở trong

phạm vi hoạt động của nhau (Liên kết được biểu diễn bởi đường thẳng nối giữa các nút; hình tròn biểu diễn phạm vi hoạt động của mỗi nút)

Trong luận văn này, các từ (cụm từ) “mạng đặc biệt di động”, “mạng MANET”, “mạng ad-hoc” đều chỉ cùng một mạng đặc biệt di động (mobile adhoc network) với định nghĩa đã được đưa ra trong mục 1.2.1

1.3 Các ứng dụng của mạng đặc biệt di động

Các công nghệ của mạng đặc biệt di động đem lại rất nhiều lợi ích so với các mạng truyền thống (cả không dây và có dây) trong những ngữ cảnh khó có thể triển khai được một cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc việc triển khai là không khả thi do những

lý do về mặt thực hành (địa hình,…) hoặc do những lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một không gian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập) Phần dưới đây sẽ giới thiệu các ứng dụng của mạng MANET

1.3.1 Ứng dụng trong quân đội

Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trong quân sự đầu tiên, và mạng đặc biệt di động cũng không phải là một ngoại lệ Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” – một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay

Theo [4], giải pháp mạng MANET cho quân đội có những đặc điểm khác so với mạng MANET thuần túy

Hình vẽ 1-2: Mô hình di động của mạng MANET thuần túy và giải pháp dùng trong quân đội

Mạng MANET thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên, các nút tự

do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào Trong mô hình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên của chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Xu hướng di động ở đây là theo nhóm (group mobility):

- Quân đội thường hành động theo một chuỗi các mệnh lệnh Mặc dầu việc truyền thông không nhất thiết phải tuân theo các chuỗi mệnh lệnh một cách nghiêm ngặt, các nút mạng nhìn chung vẫn được phân bố vật lý theo chuỗi mệnh lệnh Điều này ảnh hưởng tới việc cấu hình (topo) mạng thành lập như thế nào

- Các triển khai của quân đội trên chiến trường thường dựa trên nhiệm vụ Mỗi đơn vị phải có khả năng tự hoạt động trong phạm vi của nó và hợp tác với nhau Đặc điểm này dẫn đến việc có thể đoán trước được một phần nào chuyển động của một đơn vị

- Các triển khai của quân đội thường tuân theo hoạt động trong một vùng giới hạn, trong một khoảng thời gian được xác định trước Các nút không được chuyển động ngẫu nhiên

Do đó, nếu đưa ra được một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đề của mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: định tuyến, sử dụng các ứng dụng thời gian thực như tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháp tối ưu

Hội thảo

Trong một cuộc hội thảo, mỗi người tham dự có một thiết bị cầm tay riêng của họ hoặc một laptop có card mạng không dây

Bình thường, nếu những người tham dự này muốn chia sẻ file hoặc tài liệu cho nhau,

họ phải truy cập vào mạng nhà (home) của họ, sau đó đính kèm các file/tài liệu này vào thư vào gửi tới người nhận Một cách khác là copy file/tài liệu vào đĩa mềm và trao đổi các đĩa này cho nhau

Cả hai cách làm trên đều rất không hiệu quả Tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết bị di động để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian

đó Các thiết bị có thể truyền thông với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo Khi hội thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ

và cho phép người khác tải về từ thiết bị đầu cuối của anh ta Loona chọn một trò chơi Trò chơi được tự động tải về, cài đặt và cấu hình trên thiết bị đầu cuối của em

Em có thể chơi điện tử ngay sau đó Bạn em cũng có thể tham gia vào trò chơi nếu muốn, ngay trên máy của em

Hình vẽ 1-3: Mạng ad-hoc thuần túy (môi trường trên xe buýt)

Môi trường mạng ở đây (Hình vẽ 1-3) là một mạng đặc biệt di động thuần túy, tức là không có cơ sở hạ tầng về cáp, các thiết bị đầu cuối tự cấu hình để thành lập mạng,

mà không có sự quản lý tập trung Mạng này có thể tự chia nhỏ thành các mạng con: một mạng riêng giữa Loona và bạn của em, một mạng “chung” được khởi tạo bởi người muốn chia sẻ các chương trình trò chơi điện tử trên m áy của anh ta Hai mạng này được trộn lẫn vào nhau một cách động

1.3.3 Tính toán “khắp nơi” (Ubiquitous computing)

Tính toán “khắp nơi” là một xu hướng tương đối mới trong khoa học máy tính, chỉ sự tích hợp của công nghệ thông tin vào cơ sở hạ tầng của xã hội giống như hệ thống điện, nước, điện thoại, Trong khung cảnh đó, máy tính có mặt khắp nơi trong môi trường vật lý nhưng lại ẩn đối với con người, phục vụ hiệu quả cho cuộc sống con người Con người dường như quên mất, chỉ nhận ra sự có mặt của chúng khi chúng không làm việc [36],[35] Xét một ngữ cảnh như sau để hiểu rõ hơn về tính toán khắp nơi: Một giáo sư đút máy điện thoại di động vào áo khoác và trở về phòng làm việc sau một giờ giảng dài Sau khi dò tìm thấy máy điện thoại của giáo sư bên ngoài văn phòng, cửa phòng tự mở Giáo sư đi về phía chiếc máy tính xách tay trong phòng Máy tính xách tay dò tìm thấy thiết bị điện thoại di động và cố gắng xác định xem ai đang dùng chiếc điện thoại đó Sau khi kiểm tra được rằng đó là vị giáo sư, chiếc máy tính xách tay hiển thị chế độ làm việc trước đó của giáo sư Trong khi giáo sư đang đọc email, máy tính nhận thấy rằng ông hơi buồn ngủ Máy tính quyết định đặt một cốc cafe từ một chiếc máy bán hàng tự động ở bên ngoài văn phòng Máy tính cũng nhận thấy bàn làm việc của giáo sư không đủ sáng, do đó nó quyết định bật thêm đèn bàn

Mark Weiser, cha đẻ của khái niệm này, chia khoa học máy tính thành ba thời kỳ:

- Máy tính lớn (mainframe): nhiều người cùng dung chung một máy tính

- Máy tính cá nhân (PC): mỗi người dùng một máy tính

- Tính toán “khắp nơi”: nhiều máy tính cùng phục vụ một người

Tính toán “khắp nơi” liên quan tới một số lượng lớn các thiết bị dưới dạng máy tính nhúng và các thiết bị “du cư” (nomadic) – những thiết bị di chuyển trong môi trường Các thiết bị di chuyển này phải có khả năng tương tác với cơ sở hạ tầng cố định để cung cấp các dịch vụ có ý nghĩa Rõ ràng cơ sở hạ tầng không dây là rất quan trọng, đặc biệt cần chú ý đến hai vấn đề: băng thông và tính di động

1.3.4 Mạng cảm biến (Sensor networks)

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ Mạng cảm biến là mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội, [12]

Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm biến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung Ngày nay, các nút mạng cảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môi trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có được một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông

Công nghệ mạng đặc biệt di động thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến do:

- Các nút cảm biến được phân tán trong vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng (ví dụ: “ném” các nút cảm biến từ trên máy bay xuống một khu rừng); các nút phải tự hình thành kết nối

- Các nút phải tự tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào

- Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút mới được thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những thay đổi này

1.3.5 Mạng “nóc nhà” (Rooftop networks)

Là một công nghệ đang bùng nổ để cung cấp truy cập mạng băng thông rộng tới các gia đình, một cách để thay thế ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) và các công nghệ tương tự khác Mạng rooftop sử dụng công nghệ mạng ad-hoc để mở rộng

phạm vi của một số điểm truy cập – các điểm này được nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) Mỗi người truy cập được trang bị một router ad-hoc cho phép chuyển tiếp lưu lượng thay mặt những người truy cập khác

Từ khía cạnh ad-hoc, những mạng MANET như vậy là tương đối tĩnh – cấu hình của mạng hiếm khi thay đổi

Hình vẽ 1-4: Mạng “nóc nhà” Một nhà cung cấp dịch vụ Internet có thể triển khai dịch vụ trên một vùng rộng lớn mà không cần phải lo chi phí về cáp tới từng gia đình, đặc biệt ở các vùng nông thôn

(Nguồn: Nokia Rooftop [38])

1.3.6 Mở rộng phạm vi của điểm truy cập

Trong các mạng không dây được sử dụng rộng rãi ngày nay, các nút mạng di động được kết nối với các điểm truy cập theo cấu hình hình sao Để được kết nối vào mạng, người sử dụng phải ở trong phạm vi truy cập của mạng Do phạm vi truy cập này là giới hạn và cơ sở hạ tầng một chặng (one-hop) của cấu hình này, các điểm truy cập phải được trải rộng trong toàn bộ vùng, bao phủ khắp những nơi muốn kết nối với nhau

Sử dụng mạng đặc biệt di động, nhu cầu cần các điểm truy cập sẽ giảm – người sử dụng bên ngoài phạm vi truy cập sẽ vẫn có thể được “tiếp sóng” thông qua một hoặc nhiều nút trung gian để truy cập được vào mạng

1.4 Tổng kết

Có thể định nghĩa mạng đặc biệt di động là một mạng không dây được tạo thành, hủy

bỏ, và thay đổi mà không hề có sự can thiệp của người dùng Một đặc điểm riêng biệt nhất của MANET là khả năng đa chặng của nó: các nút chuyển tiếp các gói tin thay mặt lẫn nhau để tạo thành một mạng không dây có phạm vi trải rộng trên một vùng, vượt xa phạm vi của các công nghệ không dây cơ bản

Lợi ích của mạng MANET thể hiện rõ nhất trong các ngữ cảnh mà mạng truyền thống không khả thi do những lý do về kinh tế hoặc những lý do triển khai trong thực tế Có thể kể tên các ngữ cảnh này như: quân đội, thảm họa, hội thảo, tính toán “k hắp nơi”, mạng cảm biến, mạng “nóc nhà” và mở rộng phạm vi của các điểm truy cập

Chương 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG

Chương này trình bày về các vấn đề liên quan đến mạng đặc biệt di động, bao gồm: hiệu suất, độ tin cậy, an ninh, cấu hình, kết nối với các mạng ngoài, Mobile IP, định tuyến, chất lượng dịch vụ & các ràng buộc về năng lượng (nguồn nuôi)

2.1 Hiệu suất

Hiệu suất của mạng đặc biệt di động về thực chất thấp hơn các mạng không dây một chặng truyền thống (các nút được kết nối trực tiếp với điểm truy cập) Đó là do các gói tin (packet) phải đi qua nhiều chặng Phần dưới đây sẽ thảo luận về vấn đề này thông qua thông lượng và độ trễ đầu cuối

2.1.1 Thông lượng

Thông lượng giảm do công nghệ ad-hoc đòi hỏi thêm rất nhiều gói tin điều khiển hoặc các thông tin phụ trong mỗi gói tin để xử lý cấu hình động của mạng Ngoài ra, nhiều gói tin phải đi qua một hoặc nhiều chặng, chúng sẽ chiếm giữ kênh truyền nhiều hơn một lần Trong Hình vẽ 2-1, nút A muốn gửi dữ liệu tới nút C Do A và C ở ngoài phạm vi hoạt động của nhau, gói tin phải được phát lại bởi nút B Đầu tiên, A truyền gói tin tới B, do đó chiếm giữ kênh truyền (không khí) đối với tất cả các nút trong phạm vi hoạt động của A Khi B truyền tiếp gói tin này cho C, nó cũng chiếm giữ kênh truyền Do A ở trong phạm vi hoạt động của B, A sẽ bị “khóa” bởi B trong suốt quá trình gói tin được truyền đi

Hình vẽ 2-1: Ngay trong một cấu hình đơn giản, hiệu suất vẫn giảm đáng kể khi sử dụng công nghệ ad-hoc Nếu nút A muốn gửi gói tin cho C, gói tin phải đi qua B Khi B nhận được gói tin, B sẽ truyền tiếp tới C, do đó khóa kênh truyền (không khí) Vì A và C đều ở trong phạm vi hoạt động của B nên không nút nào có thể truyền tin cho đến khi B kết thúc việc truyền tiếp gói tin cho C

Như vậy, khi một gói tin được truyền đi theo kiểu chuyển tiếp, nút tạo ra gói tin đó sẽ

bị khóa trong khoảng thời gian gấp đôi thời gian nó cần để truyền gói tin đi lúc đầu

Rõ ràng thông lượng bị giảm đi một nửa

Thông lượng cũng có thể giảm do tắc nghẽn xung quanh điểm hot spot trong mạng Trên một tuyến đường nào đó, nếu một hoặc nhiều nút trung gian đều bận chuyển tiếp gói tin cho các nút khác, sẽ xuất hiện hàng đợi gửi tin tại các nút này Nếu không có một giải pháp nào đó đối với tắc nghẽn, các gói tin sẽ bị loại bỏ khi hàng đợi gửi tin tại một nút trung gian đầy

2.1.2 Độ trễ đầu cuối

Độ trễ đầu cuối được đo bằng thời gian từ lúc nút nguồn gửi gói tin đi đến lúc nút đích thực sự nhận được gói tin Trong mạng đặc biệt di động, độ trễ này tăng một cách rõ rệt Đó là do các gói tin phải được nhận, xử lý và chuyển tiếp tại một hoặc nhiều nút trung gian nếu như không có kết nối trực tiếp giữa nút gửi và nút nhận

Hình vẽ 2-2: Nút A là đường liên kết duy nhất giữa các nhóm nút bên trái và nhóm nút bên phải Nếu nút A di chuyển ra ngoài dịch vụ hoặc di chuyển ra ngòai phạm vi của một trong hai nhóm nút láng giềng thì mạng sẽ bị phân mảnh – tất các các liên lạc giữa hai nhóm nút này sẽ không còn nữa

Hơn nữa, do cấu hình động, khó có thể nói chính xác khi nào mạng bị phân mảnh

Do đó, trong mạng ad-hoc không thể vá được các “lỗ đen” – tất cả các nút phải được kết nối với mọi nút khác hoặc trực tiếp, hoặc thông qua các nút trung gian

2.3 An ninh

An ninh là một vấn đề quan trọng trong mạng MANET, đặc biệt khi phải đối mặt với các đặc điểm riêng biệt của mạng Cũng giống như an ninh mạng truyền thống nhằm đảm bảo bốn yếu tố cơ bản: bí mật (confidentiality), xác thực (authentication), không

A

từ chối (non-repudiation), và toàn vẹn dữ liệu (integrity) [11], an ninh trong mạng MANET phải đảm bảo được các tính chất sau [30]:

- Tính sẵn sàng (availability): Đảm bảo sự sống sót của các dịch vụ mạng khi

các nút mạng bị hỏng hoặc khi có tấn công theo kiểu từ chối dịch vụ

- Tính bí mật (confidentiality): Đảm bảo rằng thông tin không bị lộ ra đối với

những thực thể không được phép biết Tính bí mật được đòi hỏi rất cao khi truyền đi các thông tin nhạy cảm trên mạng, ví dụ như các thông tin về chiến lược hoặc trận đánh trong quân sự Các thông tin định tuyến cũng phải được bảo mật trong nhiều trường hợp, vì những thông tin đó rất có giá trị khi cần xác định và định vị mục tiêu

- Tính toàn vẹn (integrity): Đảm bảo rằng thông điệp truyền đi không bị sửa đổi

(có thể do suy yếu sóng hoặc do những tấn công cố tình vào mạng) Ngoài r a, trong những khung cảnh cụ thể, tính toàn vẹn còn đảm bảo rằng các gói tin không bị loại bỏ, phát lại, sắp xếp lại thứ tự hoặc chèn thêm vào theo một mục đích nào đó

- Xác thực (athentication): Cho phép xác định rõ định danh của nút mạng trước

khi thực hiện truyền thông với nó Nếu không có xác thực, đối phương có thể giả mạo một nút trong mạng, giành được quyền truy cập không được cho phép vào các tài nguyên và thông tin trong mạng; cũng có thể gây nhiễu đối với hoạt động của các nút khác

- Không từ chối (non-repudiation): Đảm bảo rằng khi đã gửi đi một thông điệp,

phía gửi không thể phủ nhận hành động gửi thông điệp đó Không từ chối rất

có ích trong trường hợp dò tìm và cách ly các nút bị hỏng Khi nút A nhận được một thông điệp lỗi từ nút B, không từ chối cho phép A buộc tội B sử dụng thông điệp này và thuyết phục các nút khác rằng nút B bị hỏng

Ngoài ra cũng còn một số mục tiêu khác như ủy quyền (authorization) nhưng chúng thường liên quan đến một ứng dụng cụ thể, do đó không được đề cập đến ở đây

các thông tin bảo mật, vi phạm tính bí mật Các kiểu tấn công khác có thể cho phép đối phương xóa thông điệp, gửi xen vào một thông điệp lỗi, sửa đổi thông điệp, giả mạo một nút nào đó, do đó vi phạm vào tính sẵn sàng, tính toàn vẹn, tính xác thực và tính không từ chối

Thứ hai, môi trường mạng MANET trong nhiều trường hợp có sự đối kháng nhau (ví

dụ chiến trường), sự bảo vệ về mặt vật lý của các nút mạng là tương đối nghèo nàn

Do đó xác suất các nút mạng bị hỏng đôi khi là đáng kể Chính vì vậy không nên chỉ xem xét các tấn công cố tình từ ngoài mạng mà cũng phải quan tâm đến các tấn công nảy sinh ngay trong mạng bởi một nút bị hỏng nào đó Ngoài ra, các chiến lược an ninh cho mạng MANET cũng nên có kiến trúc phân tán, không nên dựa trên một thực thể trung tâm vì nếu bản thân thực thể trung tâm bị hỏng, toàn bộ mạng sẽ bị phá vỡ theo

Thứ ba, môi trường mạng MANET là động do sự thay đổi thường xuyên của cả cấu hình mạng lẫn việc tham gia vào mạng, đi ra khỏi mạng Mối liên kết giữa các nút, quan hệ tin tưởng nhau (trust) giữa các nút cũng thay đổi thường xuyên Do đó, bất cứ giải pháp an ninh nào cho mạng MANET với cấu hình tĩnh đều sẽ không thỏa mãn Các kỹ thuật về an ninh phải thích nghi được với các thay đổi này

Thứ tư, các nút mạng di động thường có khả năng tính toán hạn chế, luôn có ràng buộc về năng lượng (nguồn nuôi) ảnh hưởng không nhỏ đến các thuật toán mã hóa, đồng thời cũng ảnh hưởng tới độ trễ và hiệu suất truyền tin Hơn nữa, các nút mạng di động lại trở thành mục tiêu lý tưởng cho tấn công theo kiểu DoS

Cuối cùng, một mạng MANET có thể có hàng trăm ngàn nút Các kỹ thuật an ninh cũng phải được mở rộng để xử lý các mạng lớn như vậy

2.3.2 Một số kiểu tấn công

Nghe lén (eavesdropping)

Trong mạng hữu tuyến, để nghe trộm được trên đường truyền, cần phải truy cập vật lý được vào mạng hoặc có khả năng lắp đặt được các thiết bị nghe trộm trên cáp Trong môi trường mạng hiện đại, việc làm này là khó khăn Ngược lại, trong mạng không dây, kẻ tấn công chỉ cần có một phần mềm thích hợp, một thiết bị nhận và ở trong phạm vi hoạt động của mạng là có thể thực hiện tấn công Để ngăn ngừa những tấn công kiểu này, thường sử dụng mã hóa ở tầng liên kết dữ liệu Ví dụ IEEE 802.11 sử dụng giao thức mã hóa WEP Tuy nhiên, giao thức WEP đã bị tấn công bởi chương trình AirSnort [10] nên hoàn toàn có thể truy cập vào tầng liên kết dữ liệu của mạng

IEEE 802.11b Sau khi truy cập được vào tầng liên kết dữ liệu, kẻ tấn công có thể chặn đứng gói tin và giải mã các giao thức ở tầng cao hơn như IP và có thể đưa các thông tin sai vào mạng

Giả mạo

Một đặc điểm của mạng MANET là phân tán Do đó, khó có thể thực hiện xác thực người dùng/nút mạng tham gia liên lạc theo cách thông thường là kết nối tới một CA (Central Authority) tin cậy Nếu không có CA nào, không có cách nào để đảm bảo chắc chắn về định danh của một nút mạng chưa được biết Điều này làm cho kẻ tấn công có thể giả danh một nút trong mạng

Tuy nhiên, trước đó các máy đã có thể thỏa thuận với nhau về một phương thức nào

đó nhằm xác thực thông điệp Điều này có thể được thực hiện bằng cách thêm chữ ký điện tử vào mỗi thông điệp được gửi đi Những cách làm dựa trên mã hóa như vậy lại đòi hỏi một dịch vụ quản lý và phân phối khóa Do vậy cần có một mô hình quản lý

và phân phối khóa thích hợp cho mạng MANET

Chen ngang (man-in-the-middle)

Một trong những đặc điểm của mạng MANET là khả năng đa chặng Điều này có nghĩa là các thông điệp được gửi qua các nút trung gian để đến đích mong muốn Nếu không có mã hóa đầu cuối, các máy trung gian có thể thay đổi nội dung thông điệp trước khi truyền tiếp thông điệp đi Đây được gọi là tấn công chen ngang

Tại tầng liên kết dữ liệu

Kẻ tấn công có thể truy cập được vào tầng liên kết dữ liệu (ví dụ sử dụng chương trình AirSnort), sau đó làm gián đoạn truyền thông bằng cách thêm các gói tin giả vào mạng

Tại tầng giao vận và mạng

Kẻ tấn công sau khi truy cập được vào tầng liên kết dữ liệu có thể thực hiện tấn công DoS “truyền thống” bằng cách làm quá tải các nút mạng riêng lẻ với các yêu cầu giả

2.3.3 Đảm bảo an ninh đối với các giao thức định tuyến

Để đạt được tính sẵn sàng, các thuật toán định tuyến phải “đương đầu” được với các thay đổi động của cấu hình và các tấn công có chủ đích Các thuật toán định tuyến đã được đề xuất cho mạng MANET như DSR, OLSR, AODV,… đối phó tốt đối với các thay đổi động của cấu hình Tuy nhiên, không thuật toán nào trong số chúng cung cấp các kỹ thuật để chống lại các tấn công có chủ đích Các thuật toán định tuyến cho mạng MANET vẫn cần được nghiên cứu Dưới đây chỉ bàn luận những nguyên tắc chung để đảm bảo an ninh cho các giao thức định tuyến

Có hai nguy cơ an ninh chính đối với các thuật toán định tuyến Nguy cơ thứ nhất là

do tấn công từ ngoài mạng Bằng cách gây lỗi cho các thông tin định tuyến, phát lại các thông tin định tuyến cũ hoặc xuyên tạc các thông tin định tuyến, kẻ tấn công có thể chia cắt mạng hoặc làm quá tải lưu lượng mạng bằng cách truyền lại hoặc định tuyến không hiệu quả

Nguy cơ thứ hai đến từ ngay các nút bị hỏng bên trong mạng, các nút này có thể gửi các thông tin định tuyến sai tới các nút khác Việc dò tìm các thông tin không đúng như vậy là khó khăn vì nếu sử dụng một chiến lược mã hóa, thêm chữ ký điện tử vào mỗi gói tin định tuyến được gửi đi, các nút hỏng vẫn có thể tạo ra được chữ ký hợp lệ bằng khóa bí mật của chúng

Để chống lại tấn công theo kiểu thứ nhất, các nút có thể bảo vệ thông tin định tuyến theo cách tương tự như bảo vệ gói tin dữ liệu, tức là sử dụng một chiến lược mã hóa,

ví dụ như chữ ký điện tử Tuy nhiên, cách làm này là không hiệu quả khi chống lại các tấn công gây ra bởi các máy chủ bị hỏng Hơn nữa không thể bỏ qua xác suất xảy ra các nút bị hỏng trong mạng ad-hoc Việc dò tìm các nút bị hỏng thông qua thông tin định tuyến là khó vì cấu hình mạng thay đổi động: khi phát hiện thấy một “mẩu” thông tin định tuyến là không đúng, có thể cho rằng thông tin này được tạo bởi một nút bị hỏng, cũng có thể cho rằng thông tin sai do cấu hình mạng đã thay đổi Rất khó phân biệt giữa hai trường hợp này Trong trường hợp triển khai một chiến lược mã hóa để bảo vệ cả gói tin dữ liệu lẫn thông tin định tuyến, cần phải có một dịch vụ quản

lý và phân phối khóa thích hợp Tham khảo thêm về dịch vụ quản lý và phân phối khóa tại [22],[39]

Mặt khác, có thể lợi dụng tính chất của mạng ad-hoc để đảm bảo an ninh cho việc định tuyến Các giao thức định tuyến cho mạng ad-hoc luôn phải cập nhật và xử lý các thông tin định tuyến đã lỗi thời để phù hợp với sự thay đổi động của cấu hình Trong một mức độ nào đó, có thể coi thông tin định tuyến sai được tạo ra bởi các nút hỏng là thông tin định tuyến đã lạc hậu Miễn là có đủ các nút cần thiết, giao thức định tuyến

vẫn có thể tìm ra được đường đi khác, bỏ qua các nút bị hỏng Khả năng này được dựa trên tính dư thừa vốn có của các giao thức định tuyến – tìm ra nhiều đường đi khác nhau giữa các nút trong mạng ad-hoc Nếu giao thức định tuyến có thể tìm ra nhiều tuyến đường (ví dụ ZRP, DSR, TORA, AODV,…), các nút có thể chuyển sang các tuyến đường thay thế khi tuyến đường chính bị phát hiện là lỗi Một số giao thức định tuyến được đảm bảo an ninh cũng đã được đề xuất như “Security-Aware Ad Hoc Routing for Wireless Networks” [45], “Secure-AODV” [31], hay “Secure Routing Protocol” [40]

2.3.4 Các chiến lược an ninh cho mạng ad-hoc

Các chiến lược an ninh cho mạng ad-hoc thường liên quan tới việc phân phối và quản

lý khóa, dò tìm việc nghe trộm và các nút bị hỏng, xác thực, đảm bảo an ninh cho định tuyến và quản lý mạng Một số chiến lược đã được đề xuất như The Resurrecting Duckling [23], NTM [44], Min-PKA [47], TIARA [48], MAA [33]

2.4 Cấu hình tự động

Trong mạng MANET, việc cấu hình các giao diện mạng nên được tiến hành tự động – đặc biệt nếu người sử dụng di chuyển giữa các mạng ad-hoc khác nhau Phần “ad-hoc” của mạng MANET sẽ mất đi giá trị của nó khi người dùng bắt buộc phải đi qua nhiều thủ tục thiết lập phức tạp để có được kết nối trong một tình huống tự phát

Cấu hình tự động các giao diện mạng là một yếu tố quan trọng để thành lập hoặc tham gia vào mạng vì các nút được giả thiết là trước đó không hề biết gì về nhau và chúng

có thể được cấu hình rất khác nhau Ngoài ra cũng cần một phương pháp để các nút mới nhận biết được sự hiện diện của các tài nguyên mạng đang có (máy in trong mạng, gateway,…)

Đối với mạng hữu tuyến, cách tiếp cận với vấn đề cấu hình tự động này là sử dụng các giao thức như DHCP hoặc BOOTP [43] Tuy nhiên cả hai giao thức DHCP và BOOTP đều hoạt động dựa trên máy chủ có sẵn (theo kiến trúc khách/chủ), do đó không thuận lợi trong môi trường không có hạ tầng mạng cho trước

Để giải quyết vấn đề này, IETF đã thành lập nhóm làm việc Zero Configuration Networking (ZCN) [52] Mục đích của nhóm làm việc này là thiết lập một phương pháp thống nhất để kết gán các địa chỉ IP cho các máy (cả hữu tuyến và không dây) trong trường hợp không thể sử dụng được các giao thức DHCP và BOOTP (hoặc sử dụng là không thích hợp) Nhóm làm việc ZCN cũng giải quyết các vấn đề về định địa

chỉ multicast động và tự khám phá dịch vụ Việc kết gán địa chỉ IP của ZCN được thực hiện theo công nghệ liên kết cục bộ (link-local technology) Định địa chỉ liên kết cục bộ và đặt tên chỉ có ý nghĩa trong một mạng cụ thể; địa chỉ liên kết cục bộ và tên không có giá trị trên toàn cầu và không duy nhất trên toàn cầu Một mạng đặc biệt 169.254/16 được IANA (Internet Assigned Numbers Authority) dự trữ dành riêng cho mục đích này Thủ tục định địa chỉ liên kết cục bộ được thực hiện như sau [46]:

(1) Một máy muốn tự cấu hình, chọn một địa chỉ ngẫu nhiêu trong mạng phạm vi

tự cấu hình với địa chỉ đã chọn

Cách tiếp cận này được sử dụng cho cả mạng hữu tuyến và không dây một chặng, tuy nhiên chưa đủ thích hợp cho mạng di động và ad-hoc Xét trường hợp các nút không ở trong cùng một vùng phát quảng bá (tức là các nút không ở trong phạm vi hoạt động của nhau), khi đó không phải mọi nút trong mạng đều “nghe thấy” thông điệp yêu cầu ARP

Chính vì lý do này, một chiến lược khác đã được đề xuất Bản dự thảo RFC – IP Addressing Auto-configuration for Adhoc Networks [18] đã đưa ra một thủ tục sau: (1) Máy muốn tự cấu hình sẽ lấy ra hai địa chỉ IP trong mạng 169.254/16 Địa chỉ thứ nhất được chọn ngẫu nhiên trong phạm vi 0 – 1

LAST-TMP-ADDR; địa chỉ này được dùng như một địa chỉ tạm trong khi đang thỏa thuận về địa chỉ thực Địa chỉ thứ hai được chọn ngẫu nhiên trong phạm vi 2

FIRST_PERM_ADDR – 65534; đây là địa chỉ mà máy muốn có

(2) Máy phát quảng bá gói tin yêu cầu địa chỉ AREQ (address request), trong đó chứa địa chỉ IP mà nó đã chọn làm địa chỉ thực Gói tin này có địa chỉ IP nguồn là địa chỉ tạm thời

(3) Mỗi nút khi nhận gói tin AREQ sẽ kiểm tra địa chỉ IP đang được yêu cầu – nếu địa chỉ này trùng với địa chỉ của nó thì nó sẽ gửi một gói tin trả lời AREP (address reply) cho nút đã gửi gói tin AREQ theo địa chỉ IP tạm thời của nó Gói tin AREP thông báo địa chỉ IP đang yêu cầu đã được sử dụng Trong trường hợp ngược lại, gói tin AREQ tiếp tục được phát quảng bá

1 LAST_TM P_ADDR: FIRST_PERM _ADDR - 1

2

FIRST_PERM _ADDR: 2048

(4) Nếu máy đã gửi yêu cầu địa chỉ không nhận được gói tin AREP trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ gửi đi gói tin AREQ một lần nữa Quá trình này được lặp lại 3AREQ_RETRIES lần Nếu vẫn không nhận được gói tin trả lời nào, máy tính đang xét sẽ coi là địa chỉ này chưa được các máy khác sử dụng và tự cấu hình nó với địa chỉ này

Phương pháp này giải quyết được vấn đề đã được chỉ ra ở trên của định địa chỉ liên kết cục bộ

Tuy nhiên, cả hai phương pháp ở trên đều có một nhược điểm là tạo ra địa chỉ IP “cục bộ” theo nghĩa chúng gây cản trở khi các nút truy cập vào các mạng ngoài, ví dụ Internet

2.5 Kết nối với các mạng ngoài

Khi một nút di động gửi một gói tin tới một mạng khác, ví dụ một mạng hữu tuyến, nó phải truyền gói tin tới một gateway Một gateway sẽ đóng vai trò như cầu nối giữa mạng MANET và mạng ngoài Do đó nó phải triển khai cả hai ngăn xếp giao thức đối với gateway (không nhất thiết phải triển khai đủ hết các tầng)

Để làm tối đa việc sử dụng công nghệ mạng đặc biệt di động, các nút phải có khả năng truy cập vào các mạng ngoài (ví dụ như mạng Internet) thông qua một dịch vụ gateway Một gateway như vậy có thể là các điểm truy cập dành riêng hoặc có thể là các nút multi-homed tạm thời để cung cấp dịch vụ này

Một điểm truy cập dành riêng có thể sử dụng định tuyến phân cấp IP theo truyền thống để định tuyến các gói tin (packet) tới mạng ad-hoc – điều này đòi hỏi các nút trong mạng ad-hoc phải được cấu hình với địa chỉ ngoài thích hợp Điều này là không khả thi nếu như gateway chỉ là tạm thời, khi đó nó sẽ đòi hỏi việc cập nhật các bảng định tuyến tại các ISP mỗi khi gateway được đặt chế độ hoạt động và không hoạt động (enable/disable)

Một chiến lược khả thi hơn là sử dụng một dạng đặc biệt của NAT – Network Address Translation được gọi là Source-NAT hoặc “giả mạo (masquerading)” Source-NAT có khả năng để cho nhiều máy cùng sử dụng chung một địa chỉ IP (địa chỉ IP ở phía hữu tuyến của gateway) Source-NAT không thể cung cấp truy cập từ mạng ngoài vào mạng ad-hoc Điều này đòi hỏi một dạng khác của NAT được gọi là Destination-NAT, tại đó gateway có thể chuyển tiếp các gói tin từ các cổng ở phía hữu tuyến tới một cổng trên một máy đặc biệt trong mạng ad-hoc

2.6 Mobile IP

Giao thức Mobile IP được định nghĩa trong RFC 2002 [16] là một cách cho phép người dùng – tức nút mạng IP chuyển vùng giữa các mạng con IP khác nhau Người dùng – thực chất là nút mạng với giao diện IP vẫn có thể tiếp tục sử dụng địa chỉ IP đã

có bên ngoài mạng con của nút đó Làm cho mạng MANET có khả năng liên tác với chuẩn này sẽ đem lại nhiều lợi ích, cung cấp truy cập vào Internet và các dịch vụ của Moblie IP cho các nút trong mạng

Nguyên lý hoạt động của Mobile IP là chuyển tiếp (forwarding) Nút chuyển vùng (roaming node) tức nút mạng di động tham gia vào mạng ngoài, trong mạng này nút được tác tử ngoài (foreign agent - FA) cấp cho một địa chỉ c/o (care-of address) Trong mạng nhà, tác tử nhà (home agent - HA) sử dụng địa chỉ c/o để thiết lập một

“ống” IP tới FA4 Bất cứ gói tin nào được gửi tới địa chỉ của nút chuyển vùng đều bị

HA “tóm” Sau đó HA chuyển tiếp gói tin này tới FA thông qua “ống ” đã được thiết lập Tại FA, gói tin được tách bỏ phần tiêu đề để lấy ra gói tin IP nguyên bản ban đầu

và được gửi cho nút chuyển vùng – nút này đang sử dụng địa chỉ IP trong mạng nhà Quá trình định tuyến thực sự vẫn xảy ra trong mạng cố định và không bị tác động bởi việc lập “đường ống”, đồng thời vẫn có thể sử dụng được các giao thức định tuyến truyền thống như OSPF, RIP, BGP Chiến lược chuyển tiếp này chỉ thích hợp trong các trường hợp nút di động nằm ở biên của mạng

Trong mạng ad-hoc không thể áp dụng được chiến lược trên vì tất cả các nút mạng đều có thể chuyển động Mỗi nút trong mạng đều vừa là router, vừa là máy (host) tại cùng một thời điểm Do đó, tính di động được xử lý trực tiếp bởi các thuật toán định tuyến, cụ thể là sử dụng các thuật toán định tuyến cho mạng ad-hoc để phân phát gói tin giữa tác tử ngoài và nút chuyển vùng Chi tiết về các giải pháp Mobile IP cho mạng ad-hoc có thể tham khảo tại “MIPMANET – Mobile IP for Mobile Adhoc Network” [50] và “Ad Hoc Networking with Mobile IP” [26]

2.7 Định tuyến

MANET là mạng được tạo thành và hoạt động mà không cần có bất cứ một cơ sở hạ tầng mạng nào được thiết lập trước hoặc một sự quản lý tập trung Các nút mạng sử dụng giao diện không dây để truyền thông với nhau, đóng vai trò vừa là host, vừa là

4

Thực chất của quá trình tạo đường ống là HA tra bảng “M obility Binding” của nó để tìm ra nút di động đang tham gia vào mạng ngoài nào, đồng thời cũng biết được địa chỉ c/o hiện tại của nút di động Khi nhận được gói tin có địa chỉ IP đích là địa chỉ mạng nhà của nút mạng di động, HA sẽ đóng gói tói tin này với tiêu đề chứa địa chỉ IP đích là địa chỉ c/o của nút mạng

di động, phần tải tin của gói tin mới này chính là gói IP ban đầu Sau đó gói tin này được gửi tới cho nút mạng di động Quá trình đóng gói như vậy được gọi là đóng gói IP-trong-IP (IP-within-IP) hoặc “tạo đường ống (tunneling)”

router, có khả năng chuyển tiếp gói tin thay mặt lẫn nhau Cũng chính vì thế các nút mạng di động có khả năng truyền thông với nhau vượt ra ngoài phạm vi truyền của mỗi nút bằng cách truyền thông đa chặng

Vấn đề định tuyến trong mạng MANET là một thách thức do các nút mạng luôn có xu hướng tự do chuyển động Các liên kết có thể bị phá vỡ hoặc khôi phục bất cứ lúc nào

và có những đặc điểm khác hẳn với những lý do khác Ngoài ra, dải thông trong mạng không dây là thấp, các nút bị hạn chế bởi nguồn nuôi nên tổng lưu lượng dành cho định tuyến cần phải nhỏ Các thuật toán định tuyến cho mạng ad-hoc có thể được phân loại thành: proactive, reactive, và các thuật toán định tuyến lai (hybrid)5

Trong chiến lược định tuyến proactive, bảng định tuyến của mỗi nút được cập nhật định kỳ Các thuật toán định tuyến truyền thống như distance vector (vectơ khoảng cách) và link state (trạng thái liên kết) là thuộc loại proactive: duy trì tuyến đường tới tất cả các nút trong mạng, kể cả các nút mà không có gói tin (packet) nào được truyền tới Chính vì lý do này, các thuật toán định tuyến proactive yêu cầu nhiều thông điệp điều khiển định kỳ, dẫn tới việc khan hiếm tài nguyên do năng lượng, băng thông,… được sử dụng nhiều hơn trong trường hợp di động Một ví dụ về giao thức định tuyến theo kiểu proactive là Destination-Sequenced Distance Vector (DSDV) Một thuật toán định tuyến proactive khác tốt hơn do giảm việc sử dụng băng thông một cách hiệu quả là Optimized Link State Routing (OLSR)

Trong chiến lược định tuyến reactive, việc định tuyến được thực hiện theo nhu cầu (on-demand), tức là chỉ khi có nhu cầu truyền thông, nút gửi tự tìm kiếm tuyến đường tới nút đích Chiến lược này cho phép các nút mạng chỉ cần quan tâm tới các tuyến đường đang được sử dụng hoặc đang được thiết lập Ví dụ về các thuật toán định tuyến theo kiểu reactive là Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV) và Dynamic Source Routing (DSR)

Các thuật toán định tuyến lai (hybrid routing protocol) kết hợp hai chiến lược định tuyến trên: sử dụng định tuyến theo proactive trong một khu vực giới hạn nào đó (khu vực định tuyến) và sử dụng định tuyến reactive ngoài khu vực này

Ví dụ về một giao thức định tuyến theo chiến lược lai là Zone Routing Protocol (ZRP)

Cả hai chiến lược proactive và reactive đều có những ưu nhược điểm riêng, phù hợp riêng với từng ngữ cảnh sử dụng Các giao thức định tuyến proactive có bảng định tuyến được cập nhật định kỳ, thường xuyên, do đó độ trễ khi gửi đi một gói tin là rất

nhỏ (tối thiểu) Tuy nhiên việc cập nhật các bảng định tuyến thường xuyên lại cần nhiều thông điệp điều khiển, làm tràn ngập mạng (flooding); tiêu tốn rất nhiều thời gian, băng thông và năng lượng Ngược lại, các thuật toán reactive xác định tuyến đường đi giữa các nút chỉ khi cần chuyển đi các gói tin giữa hai nút đó Do đó, khi có yêu cầu gửi đi một gói tin, nút mạng di động trước tiên phải tìm tuyến đường nếu như

nó chưa biết tuyến đường đi Quá trình tìm kiếm tuyến đường này có thể gây ra một

độ trễ truyền tin đáng kể Kết hợp cả hai chiến lược proactive và reactive là các thuật toán định tuyến lai Chiến lược này có ít nhược điểm nhất, đồng thời lại có những ưu điểm do hai chiến lược trên đem lại Dưới đây trình bày tóm lược về các thuật toán định tuyến đã được nhắc tới Tuy nhiên cần chú ý rằng có rất nhiều các thuật toán định tuyến khác nhau đã được đề xuất, mỗi thuật toán có những ưu nhược điểm riêng và phù hợp đối với từng trường hợp cụ thể

2.7.1 Destination-sequenced distance vector (DSDV)

DSDV là thuật toán định tuyến được xuất phát từ thuật toán định tuyến distance vector cổ điển, thuật toán Bellman Ford phân tán (DBF – Distributed Bellman Ford) Trong thuật toán này, một số cải tiến đã được thực hiện để tránh lặp định tuyến giống như trong DBF: mỗi dòng trong bảng định tuyến được “đánh dấu” bởi số thứ tự để sắp xếp thông tin định tuyến

Trong DSDV, mỗi nút duy trì bảng định tuyến riêng của nó Mỗi dòng trong bảng định tuyến tương ứng với một nút đích trong mạng Các giá trị cần lưu đối với mỗi nút đích là: chặng tiếp theo, độ đo (số chặng) và số thứ tự - số này được tạo ra bởi nút đích (Hình vẽ 2-3)

Nút đích (Destination)

Chặng tiếp theo (Next-hop)

Độ đo (Metrics)

Số thứ tự (Sequence Number)

Hình vẽ 2-3: Cấu trúc bảng định tuyến của giao thức định tuyến DSDV

Để đảm bảo các thông tin định tuyến là luôn “mới (fresh)”, DSDV sử dụng cập nhật thông tin định tuyến theo hai kiểu: định kỳ và trigger Cập nhật thông tin định tuyến theo kiểu trigger nhằm bổ sung cho trường hợp cập nhật định kỳ, cập nhật các thông tin định tuyến một cách nhanh nhất ngay khi topo của mạng thay đổi Các gói tin cập nhật chứa địa chỉ nút đích mà mỗi nút có thể truy cập, số chặng để tới được nút đích

và số thứ tự của mỗi tuyến đường (do nút đích tạo ra)

Khi nhận được các gói tin cập nhật tuyến đường, mỗi nút so sánh thông tin nhận được với thông tin mà nút đang có về tuyến đường Các tuyến đường với số thứ tự cũ hơn

sẽ bị loại bỏ Trong trường hợp các tuyến đường có cùng số thứ tự, thông tin định tuyến mới nhận được sẽ thay thế thông tin cũ nếu nó có độ đo (số chặng) tốt hơn (nhỏ hơn) Các tuyến đường mới được cập nhật sẽ ngay lập tức được gửi tới các nút hàng xóm

Khi một liên kết tới chặng kế tiếp bị phá vỡ, bất cứ tuyến đường nào có chứa chặng đó

sẽ được gán một độ đo bằng vô cùng và một số thứ tự mới Đây là trường hợp duy nhất mà số thứ tự không được gán bởi nút đích Khi một nút đang có độ đo bằng vô cùng nhận được thông tin cập nhật tuyến đường với độ đo xác định, số thứ tự bằng hoặc lớn hơn số thứ tự cũ, thông tin cập nhật tuyến đường sẽ được phát quảng bá theo kiểu trigger Nhờ vậy các tuyến đường với độ đo bằng vô cùng sẽ nhanh chóng được thay thế bởi các tuyến đường thực – được truyền đến bởi các nút đích có vị trí mới

2.7.2 Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV)

AODV [17] là thuật toán định tuyến distance vector nhưng theo chiến lược reactive Điều này có nghĩa là AODV chỉ yêu cầu một tuyến đường khi nó thực sự cần và không yêu cầu các nút phải duy trì tuyến đường dẫn tới các nút không tham gia vào quá trình truyền thông Tương tự như DSDV, AODV sử dụng số thứ tự để tránh định tuyến lặp và chỉ ra tính “mới (fresh)” của một tuyến đường AODV cũng sử dụng bảng định tuyến, trong đó mỗi dòng trong bảng tương ứng với một nút đích để duy trì thông tin định tuyến Bất cứ khi nào một nút có nhu cầu tìm đường đi tới một nút khác trong mạng, nó phát quảng bá một thông điệp yêu cầu định tuyến RREQ (route request) tới tất cả các nút hàng xóm Thông điệp RREQ được gửi đi trong toàn bộ mạng cho đến khi tới được nút đích hoặc nút trung gian trong tuyến đường tới nút đích Trên đường đi của nó, thông điệp RREQ khởi tạo một bảng định tuyến tạm thời, đánh dấu các nút nó đã đi qua Nếu tìm thấy nút đích hoặc đường đi tới nút đích, một thông điệp trả lời định tuyến RREP (route reply) được phát unicast gửi trở lại nút nguồn, dọc theo tuyến đường mà thông điệp RREQ đã đi Trên đường đi đó, thông điệp RREP cũng được khởi tạo tại mỗi nút trung gian, và thêm vào bảng định tuyến tạm của mỗi nút dòng tương ứng với đường đi đó Các dòng này sẽ được xóa bỏ sau một khoảng thời gian xác định

2.7.3 Dynamic Source Routing (DSR)

Đặc điểm nổi bật của DSR [29] là sử dụng định tuyến nguồn Nút nguồn biết được toàn bộ từng chặng định tuyến (hop-by-hop route) tới nút đích Các chặng này được lưu trong bộ nhớ định tuyến (route cache) Gói dữ liệu (data packet) chứa định tuyến nguồn trong phần tiêu đề của gói tin Khi một nút trong mạng ad-hoc cố gắng gửi một gói dữ liệu tới nút đích mà nó chưa biết đường đi tới đó, nút nguồn phải tìm kiếm tuyến đường (route discovery) một cách động Công việc tìm kiếm đường đi được thực hiện bằng cách gửi đi một thông điệp yêu cầu định tuyến RR EQ tới toàn bộ các nút trong mạng Mỗi nút mạng khi nhận được RREQ sẽ phát quảng bá lại gói tin đó, trừ trường hợp nút đó chính là nút đích hoặc là một nút trung gian trong tuyến đường tới nút đích được lưu trong bộ nhớ định tuyến Các nút này khi nhận được RREQ sẽ gửi trả lại một thông điệp trả lời định tuyến RREP cho nút nguồn RREQ và RREP cũng được định tuyến nguồn: RREQ xây dựng đường đi trong mạng; RREP tự quay trở lại nút nguồn bằng cách đi dọc theo tuyến đường này Tuyến đường mà RREP đã

đi sẽ được lưu lại trong bộ nhớ (cache) tại nút nguồn để sử dụng lại sau đó

Nếu bất cứ liên kết nào trong định tuyến nguồn bị phá vỡ, nút nguồn sẽ nhận được thông báo – gói tin báo lỗi định tuyến RERR (route error) Nút nguồn sẽ loại bỏ tất cả các tuyến đường có sử dụng liên kết này ra khỏi bộ nhớ (cache) Nút nguồn lại khởi tạo một quá trình tìm kiếm đường đi mới khi cần thiết DSR sử dụng rất nhiều định tuyến nguồn và lưu lại đường đi Không cần thiết phải sử dụng một kỹ thuật đặc biệt nào để dò tìm định tuyến lặp Bất cứ nút trung gian nào cũng có thể lưu lại tuyến đường chứa trong gói tin mà nó chuyển tiếp để có thể sử dụng lại về sau

2.7.4 Zone Routing Protocol (ZRP)

Trong thuật toán định tuyến ZRP [25], mỗi nút có “khu vực định tuyến” riêng của nó (Khu vực định tuyến của một nút chứa các nút có khoảng cách (số chặng) tới nó nhỏ hơn một ngưỡng xác định) Mỗi nút phải biết được topo mạng trong khu vực định tuyến của nó, và việc cập nhật tuyến đường chỉ được lan truyền trong khu vực định tuyến Một giao thức định tuyến theo kiểu proactive, ví dụ như DSDV được sử dụng trong khu vực định tuyến Để tìm kiếm đường đi tới một nút ngoài khu vực định tuyến, một giao thức theo kiểu reactive được sử dụng, ví dụ như DSR

Thuật toán tìm kiếm đường đi của ZRP được minh họa trong Hình vẽ 2-4 dưới đây

Hình vẽ 2-4: Ví dụ về thuật toán định tuyến ZRP

Giả thiết rằng A muốn tìm đường đi tới E Trước tiên A kiểm tra và biết rằng E ở ngoài khu vực định tuyến của mình A gửi một gói tin hỏi (query packet) tới tất cả các nút ngoại vi của nó (nút nằm tại biên của khu vực), B và C Khi nhận được gói tin hỏi,

do E không nằm trong khu vực định tuyến của B và C nên mỗi nút B và C thêm địa chỉ của nó vào gói tin hỏi và tiếp tục gửi gói tin hỏi tới các nút ngoại vi của chúng Cụ thể, B chuyển tiếp gói tin hỏi tới D E là một nút trong khu vực của D, do đó D gửi một gói tin trả lời (reply packet) có chứa tuyến đường đi A-B-D-E cho A

2.8 Chất lượng dịch vụ

Dưới góc độ người dùng, chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) liên quan đến

sự thỏa mãn các dịch vụ được cung cấp bởi hệ thống truyền thông Về bản chất, QoS

là sự thỏa thuận hoặc sự đảm bảo bởi mạng để cung cấp một tập các thuộc tính của dịch vụ cho người dùng theo các giá trị được chỉ định trước: độ trễ của mạng, biến thiên độ trễ, dải thông được đáp ứng, tỷ lệ các gói tin bị mất,… Theo IETF RFC 2386, QoS là tập các yêu cầu dịch vụ được thỏa mãn bởi mạng khi truyền đi một luồng gói tin từ nguồn tới đích Các ứng dụng khác nhau có các yêu cầu về chất lượng dịch vụ khác nhau Các ứng dụng thời gian thực như truyền tiếng nói hoặc video cần truyền gói tin trong một khoảng thời gian nhất định, nếu không gói tin không còn có giá trị nữa; các ứng dụng khác như thư điện tử hay truyền file thì không cần theo thời gian thực mà nhấn mạnh vào độ tin cậy

Trong mạng MANET, QoS được tập trung nghiên cứu chính đối với các ứng dụng phân tán, không theo thời gian thực và theo thời gian thực

Khả năng để cung cấp chất lượng dịch vụ còn phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính vốn có của mạng, cụ thể là liên quan đến tính chất của các yếu tố trong mạng (đường liên kết,

nút mạng, các thuật toán đảm bảo chất lượng dịch vụ của mỗi tầng trong ngăn xếp giao thức của mạng…) Tuy nhiên, trong mạng MANET, các tính chất của mạng lại

hỗ trợ rất ít cho đảm bảo chất lượng dịch vụ:

Liên kết không dây có dung lượng kênh truyền thấp, biến đổi theo thời gian, tỷ

lệ lỗi & mất mát cao;

Các liên kết thay đổi theo thời gian (cấu hình mạng thay đổi động), việc định tuyến trước đó là không đúng nữa, làm tăng tỷ lệ mất gói tin;

Hạn chế tài nguyên, cụ thể là dải thông và năng lượng của mỗi nút;

Không có sự điều khiển tập trung hoặc không có sẵn một cơ sở hạ tầng mạng; Trong mạng MANET, các nút mạng có thể sử dụng các công nghệ không dây của tầng vật lý khác nhau, do đó mạng là không thuần nhất Mỗi công nghệ lại đòi hỏi một giao thức MAC khác nhau để hỗ trợ QoS Do đó các kỹ thuật QoS đối với các tầng trên phải rất linh động để thích hợp được với sự không thuần nhất của công nghệ ở tầng vật lý

Như vậy, một mô hình để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng MANET phải xem xét đến các đặc điểm của mạng: cấu hình động, dung lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian, sự hạn chế về nguồn nuôi, mỗi nút có thể thực hiện nhiều chức năng (router, host), thiếu cơ sở hạ tầng mạng cho trước, băng thông và kích thước mạng Hơn nữa các ứng dụng của mạng MANET là rất đa dạng, giả thiết mạng sẽ được kết nối “liền mảnh” với Internet trong tương lai Do đó mô hình QoS cho mạng MANET cũng phải xem xét tới mô hình QoS hiện tại của Internet

Có rất nhiều nghiên cứu về QoS trong mạng MANET đã được thực hiện: QoS cho giao thức MAC, cho giao thức định tuyến, cho các giao thức về định vị tài nguyên…

Có thể tham khảo thêm tại [51]

2.9 Tổng kết

Chương này trình bày các vấn đề cần được quan tâm trong mạng MANET

Vấn đề cần quan tâm trước tiên trong mạng MANET là tỷ lệ mát mát gói tin cao khi

so với các mạng không dây một chặng Một vấn đề nóng hổi nữa là các nguy cơ về an ninh đối với mạng Với bản chất không dây, mạng MANET có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều kiểu tấn công khác nhau như giả mạo, chen ngang…

Việc cấu hình địa chỉ IP tự động cho các nút trong mạng MANET cũng là một vấn đề

mở Ý tưởng cơ bản là các nút mạng phải có khả năng tự cấu hình để làm giảm bớt sự phức tạp cho người dùng mỗi khi tham gia vào mạng MANET Điều này là quan

trọng vì người dùng có thể di chuyển giữa nhiều mạng MANET khác nhau Bản dự thảo RFC thảo luận về vấn đề này đã đề xuất một phương pháp phát quảng bá thông điệp yêu cầu một địa chỉ IP nào đó Nếu không có thông điệp phản hồi, nút đang đưa

ra yêu cầu sẽ giả thiết địa chỉ đó là chưa có ai sử dụng và dành cho nó, nút tự cấu hình với địa chỉ này

Vấn đề định tuyến trong mạng MANET cũng được đề cập Cho đến nay, việc đưa ra các giao thức định tuyến đảm bảo chất lượng dịch vụ và đảm bảo an ninh vẫn thu hút

sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu

Mạng MANET nên cung cấp dịch vụ gateway cho phép người dùng di động có thể truy cập vào Internet và các mạng ngoài khác Theo khía cạnh này, tính tương thích với Mobile IP cũng cần thiết, cho phép người dùng di động kết nối với các mạng nhà một cách “liền mảnh”

Cuối cùng là một số thảo luận về các khó khăn khi đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng MANET

Chương 3 CÁC CÔNG NGHỆ CHO MẠNG MANET

Chương này trình bày về hai chuẩn công nghệ mạng chính đối với mạng MANET IEEE 802.11b và Bluetooth IEEE 802.11b là một công nghệ nền tảng tốt khi triển khai các mạng ad-hoc đơn chặng vì tính đơn giản của nó Hơn nữa, cũng có thể xây dựng một mạng ad-hoc đa chặng trên một vùng có diện tích vài km vuông với IEEE 802.11b Trên các phạm vi nhỏ hơn, có thể sử dụng Bluetooth để xây dựng mạng PAN & BAN ad-hoc – kết nối các thiết bị của một người lại với nhau trong phạm vi 10m

3.1 Tổng quan

3.1.1 Các đặc tả của IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 là chuẩn WLAN (Wireless Local Area Network – mạng cục bộ không dây) đầu tiên dành được sự chấp nhận của thị trường Xuất phát điểm chuẩn này được IEEE đưa ra vào năm 1987 như một phần của chuẩn IEEE 802.4 với tên gọi IEEE 802.4L Năm 1990, nhóm làm việc của 802.4L đã được đổi tên thành IEEE 802.11 WLAN Project Committee nhằm tạo ra một chuẩn 802 độc lập, có nhiệm vụ định nghĩa các đặc tả dành cho tầng vật lý (PHY), tầng MAC và phần dưới của tầng liên kết dữ liệu đối với mạng WLAN Hình vẽ 3-1 minh họa sự so sánh giữa mô hình OSI và mô hình IEEE 802 Nếu mô hình OSI biểu diễn một cấu trúc truyền thông tổng thể, thống nhất thì mô hình IEEE 802 chỉ quan tâm tới các tầng phía dưới, đặc biệt là tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý

Hình vẽ 3-1: Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802

Mục đích của chuẩn IEEE 802.11 là nhằm thúc đẩy sự tương thích giữa các nhà sản xuất WLAN khác nhau Nhờ vậy, IEEE 802.11 đã được chấp nhận vào ngày 27 tháng

7 năm 1997 Kể từ đó đã có thêm hai chuẩn nữa của IEEE được phê chuẩn nhằm mở rộng tốc độ truyền dữ liệu của WLAN bằng cách nâng cao đặc tả của tầng vật lý Các đặc tả hiện tại là IEEE 802.11b và IEEE 802.11a đều được đưa ra vào năm 1999 Cả hai chuẩn này đều có cùng một đặc tả tầng MAC giống như đặc tả ban đầu của IEEE 802.11 Sự khác nhau là ở tầng vật lý, IEEE 802.11a sử dụng OFDM ở dải tần 5 GHz UNII để có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, lên tới 54Mbps, trong khi đó IEEE 802.11b

sử dụng CCK ở dải tần 2.4GHz ISM với thông lượng dữ liệu tối đa là 11Mbps

Do IEEE 802.11b [3] vẫn là công nghệ không dây phổ biến nhất, giá thành hạ, phần 3.2 sẽ mô tả về kiến trúc và các giao thức của nó

3.1.2 Công nghệ không dây Bluetooth

Tháng 7 năm 1999, phiên bản đầu tiên của đặc tả Bluetooth (1.0) được đưa ra bởi Bluetooth SIG; đặc tả hiện tại là 2.0 Tuy nhiên, Bluetooth đã được bắt đầu từ 5 năm trước, 1994, khi Ericsson Mobile Communications bắt đầu nghiên cứu để tìm ra một công nghệ không dây có thể sử dụng hiệu quả để thay thế cáp khi liên kết các điện thoại theo kiểu tế bào với các phụ kiện của nó Nghiên cứu đã tập trung vào liên kết sóng vô tuyến vì sóng vô tuyến là vô hướng và trong tầm nhìn thẳng Việc sử dụng sóng vô tuyến đem lại những ưu điểm hơn hẳn so với công nghệ hồng ngoại đã được

sử dụng trước đó với cùng một mục đích Trong số nhiều yêu cầu đối với Bluetooth,