Phân tích hiệu suất TCP trên mạng không dây không cấu trúc

Hiệu suất của một hệ thống phụ thuộc vào năng lực hoạt động của phần cứng tốc độ tính toán của CPU, thời gian truy nhập và dung lượng bộ nhớ làm việc và bộ nhớ ngoài, tốc độ và phương th

KHOA CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀNG MINH

Phân tích hiệu suất TCP trên mạng không dây

không cấu trúc

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Người hướng dẫn: PGS.TS Vũ Duy Lợi

Hà nội - 2004

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

4

CHƯƠNG 1 MẠNG KHÔNG DÂY KHÔNG CẤU TRÚC (MOBILE ADHOC NETWORKS – MANET) 1 Mạng không dây không cấu trúc 1.1 Khái niệm 7

1.2 Đặc trưng của mạng không dây không cấu trúc 8

1.3 Ứng dụng của mạng không dây không cấu trúc 9

2 Phân tích đánh giá hiệu suất mạng máy tính 10

2.1 Khái niệm hiệu suất 10

2.2 Công cụ mô phỏng NS-2 (network simulator) 12

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG KHÔNG DÂY KHÔNG CẤU TRÚC 1.Nguyên tắc chung 15

2.Các thuật toán định tuyến 16

2.1 Định tuyến trước 16

2.2 Định tuyến theo yêu cầu 16

3.Phân tích đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến 18

3.1 Các đơn vị đo hiệu suất 19

3.2 Kết quả mô phỏng và những phân tích 19

3.2.1 So sánh hiệu suất của ba giao thức định tuyến AODV, DSR và DSDV 19

3.2.1.1 Kết quả mô phỏng 20

3.2.1.2 Phân tích các kết quả thu được 22

3.2.2 So sánh hiệu suất hoạt động của hai giao thức AODV và DSR với số lượng các node và thời gian tạm dừng khác nhau 23

3.2.2.1 Kết quả mô phỏng 23

3.2.2.2 Phân tích các kết quả thu được 31

3.3 Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng 32

CHƯƠNG 3 GIAO THỨC TCP TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY KHÔNG CẤU TRÚC

1 Điều khiển lưu lượng TCP trong mạng không dây không cấu trúc 36

2 Một số ảnh hưởng đối với TCP trong mạng không dây không cấu trúc 37

a) ảnh hưởng đứt kết nối 37

b) ảnh hưởng đường truyền không đối xứng 38

3 Cải tiến điều khiển lưu lượng TCP trong mạng không dây không cấu trúc a) TCP-Feedback 39

b) Thông báo rõ ràng lỗi đường truyền EFLN 40

c) Giao thức ATCP 40

d) Fixed-Retranmission Timeout 41

4 Phân tích hiệu suất giao thức TCP – ELFN trên mạng MANET 42

4.1 Môi trường và phương pháp mô phỏng 42

4.2 Thông lượng cực đại 42

4.3 So sánh hiệu suất TCP giữa TCP – Reno và TCP – ELFN 45

a) Thông lượng TCP – Reno 45

b) Nguyên nhân thông lượng của một số node giảm xuống cực tiểu 51

c) Thông lượng TCP – ELFN 53

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

MỞ ĐẦU

Ngày nay, Internet đã trở thành công nghệ mạng tiêu chuẩn, kết nối

mở các hệ thống tính toán và các mạng thông tin máy tính không đồng nhất Việc phát triển bùng nổ của các mạng Internet/Intranet, việc cung cấp các dịch vụ thông tin về kinh tế, khoa học công nghệ, văn hoá giáo dục, xã hội, ngày càng phong phú trên mạng cũng như xu thế tích hợp hầu hết các hệ thống thông tin trong các hoạt động chính trị, kinh tế, xã hội trên giao diện Web đã làm cho vấn đề thiết kế, xây dựng cơ sở hạ tầng mạng trên nền bộ giao thức TCP/IP, còn gọi là cơ sở hạ tầng IP (IP Infrastructure), cũng như việc phát triển và tích hợp các ứng dụng phong phú trên mạng trở nên hết sức cần thiết Kiến trúc mạng thông tin máy tính và ứng dụng được mô tả trong Hình 1

Hình 1: Kiến trúc mạng thông tin máy tính và ứng dụng

Hệ thống ứng dụng trên Internet bao gồm: các dịch vụ thông tin Internet cơ bản như: dịch vụ Web, thư điện tử, dịch vụ truyền tệp FTP, dịch vụ đăng nhập từ xa Telnet; hệ thống giao dịch trong các ngành tài chính, ngân hàng, thị trường chứng khoán, dịch vụ du lịch như mua vé máy bay, mua vé tầu hỏa, đặt thuê phòng khách sạn, .; các hệ thống cơ sở dữ liệu và các hệ

E-mail, Web,

FTP, Telnet

HÖ thèng TP

HÖ thèng CSDL

HÖ thèng tÝnh to¸n

HÖ thèng hç trî øng dông

Bé giao thøc TCP/IP Ethernet

10/100 Mbits ATM

X.25/

Frame Relay

SDH SONET

øng dông

M¹ng th«ng tin m¸y tÝnh

thống thông tin điện tử trong các lĩnh vực quản lý điều hành Nhà nước (chính quyền điện tử), sản xuất kinh doanh (kinh doanh điện tử), giáo dục, đào tạo (thư viện điện tử, đào tạo qua mạng), y tế (khám chữa bệnh qua mạng)

Hiện nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các mạng truyền thông hữu tuyến (wired networks), mạng truyền thông vô tuyến (wireless networks) được phát triển và sử dụng ngày một rộng rãi vì những tính năng đơn giản,

cơ động vv Mạng không dây(wireless network) được coi như một giải pháp tiện lợi cho mạng LAN trong những văn phòng và những đơn vị vừa và nhỏ Hơn thế nữa, Internet không dây đã và đang được triển khai và ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới trong đó có cả Việt Nam Mạng không dây

có thể chia thành hai loại :

- Mạng không dây có cấu trúc (Infrastructured networks) : Mạng bao

gồm một mạng hữu tuyến thông thường, có những Gateway để giao tiếp với những trạm không dây di động trong mạng

- Mạng không dây không cấu trúc (Infrastructureless networks) : Mạng

này còn được gọi là: Mobile wireless Ad hoc Network (MANET) Mạng MANET bao gồm những trạm không dây di động được kết nối

“tạm” với nhau bằng kết nối không dây theo mô hình: máy tính – nối

– máy tính (computer to computer) mà không cần tới bất cứ một hạ

tầng cơ sở mạng nào cả [1,3,47]

-

Luận văn này đi sâu vào nghiên cứu hai vấn đề là:

a) Phân tích hiệu suất của các giao thức định tuyến trong mạng không

dây không cấu trúc (Mobile Ad hoc Networks - MANET)

b) Phân tích hiệu suất hoạt động của giao thức TCP-ELFN trong

mạng không dây không cấu trúc (Mobile Ad hoc Networks -

MANET)

Các phân tích trong luận văn này dựa trên kết quả mô phỏng máy tính bằng công cụ NS -2 của phòng nghiên cứu quốc gia Lawrence Berkely Laboratoy Hoa Kỳ

Luận văn được tổ chức thành những mục sau: Mở đầu, đặt vấn đề và trình bày khái quát công việc và ý nghĩa của luận văn Chương một, trình

bày khái niệm cơ bản và ứng dụng của mạng không dây không cấu trúc MANET Tiếp đó trình bày phương pháp luận nghiên cứu, hệ mô phỏng NS

– 2 Chương hai, trình bày về định tuyến trong mạng MANET, nguyên tắc

hoạt động, và các thuật toán định tuyến Tiếp đó trình bày kết quả mô phỏng, những phân tích đánh giá hiệu suất hoạt động của ba giao thức định tuyến là:

AODV, DSDV và DSR Chương ba, trình bày về giao thức TCP, những ảnh

hưởng của giao thức TCP đối với hiệu suất mạng, những cải tiến điều khiển lưu lượng TCP trong mạng MANET Tiếp đó trình bày những những phân

tích đánh giá hiệu suất hoạt động của giao thức TCP – ELFN (Explicit Link

Failure Notification)

CHƯƠNG 1 MẠNG KHÔNG DÂY KHÔNG CẤU TRÚC (MOBILE ADHOC NETWORKS – MANET)

1.Mạng không dây không cấu trúc:

1.1/ Khái niệm

Một trong những công nghệ quan trọng của thông tin di động (Mobile Communication) là công nghệ mạng không dây không cấu trúc (wireless mobile ad hoc network - MANET)

Mạng không dây không cấu trúc, sau đây gọi tắt là mạng MANET, là một tập hợp các thiết bị không dây di động độc lập, bình đẳng, được kết nối một cách ngẫu nhiên, với một tổ chức kết nối bất kỳ, mà không cần bất cứ một kết cấu hạ tầng kỹ thuật có sẵn nào hoặc một thực thể điều khiển truy nhập (trung tâm) nào hỗ trợ Số liệu được trao đổi giữa các trạm làm việc, thiết bị nguồn và thiết bị đích, theo phương thức chuyển mạch gói Các trạm làm việc, bên cạnh việc thu thập và xử lý số liệu ứng dụng, điều khiển truy nhập mạng theo một thuật toán nhất định, đồng thời còn là các thiết bị định tuyến, và vì vậy, việc thiết kế và thực hiện các trạm này thường phức tạp hơn các trạm làm việc thông thường khác Mạng không dây không cấu trúc được chia thành hai loại là: Mạng di động kiểu Ad hoc (MANET) và mạng

cảm biến (Wireless sensor) Mạng cảm biến Wireless sensor là một lớp mới

của mạng không dây không cấu trúc, được quan tâm và phát triển trong những năm gần đây Mạng gồm rất nhiều node cảm biến và có thể truyền

thông với nhau Mỗi node được cấu tạo bởi module cảm biến (sensor) và

module truyền thông Mạng có độ tin cậy cao trong những môi trường phức tạp, khó dự đoán trước Mạng cảm biến như một trung tâm dữ liệu Mỗi node trong mạng đều cập nhật và lưu trữ dữ liệu [5, 21]

Hình 2: Kiến trúc mạng MANET

1.2 Đặc trƣng của mạng không dây không cấu trúc

- Tổ chức kết nối động: các trạm làm việc di chuyển tự do và ngẫu nhiên, và vì vậy, tổ chức kết nối mạng thay đổi một cách ngẫu nhiên, không

dự báo trước được

- Băng thông bị giới hạn, dung lượng kênh truyền rất khác nhau: trong mạng MANET, dung lượng kênh truyền thường nhỏ hơn rất nhiều dung lượng kênh truyền trong mạng có kết cấu hạ tầng kỹ thuật Hơn nữa, thông lượng đạt được trong mạng MANET - do ảnh hưởng của các yếu tố như: nhiễu, hiện tượng xuyên kênh, fading, phương thức đa truy nhập vào hệ thống mạng, hiện tượng tắc nghẽn số liệu, , thường nhỏ hơn nhiều lần tốc

độ truyền số liệu (vô tuyến)

- Giới hạn về nguồn điện làm việc: các trạm làm việc di động đều sử dụng acqui hoặc pin, và vì vậy, một trong các yêu cầu quan trọng thiết kế và thực hiện các trạm làm việc di động này là tiết kiệm năng lượng điện làm việc

MH4 Asymmetrical link

MH4 Asymmetrical link

symmetrical link

- Giới hạn về an toàn, bảo mật: các trạm làm việc di động dễ bị “nghe trộm”, bị tấn công theo kiểu “từ chối dịch vụ” (denie-of-service),

1.3 Ứng dụng của mạng không dây không cấu trúc

Có rất nhiều ứng dụng của mạng MANET trong cuộc sống, hiện nay MANET đang được phát triển như là một phần mở rộng của Internet MANET được nối với Internet thông qua những Gateway Điều này thật tiện lợi để người sử dụng có thể dùng những ứng dụng Internet phổ biến như là e-mail, web, ftp vv

MANET rất thích hợp cho những ứng dụng có tính hợp tác và cơ động cao, đặc biệt là trong quân sự và trong việc ứng cứu khắc phục những thảm hoạ, ví dụ : trên chiến trường việc triển khai một mạng thông tin hữu tuyến

là rất khó khăn, đôi khi là không thể Nhưng với MANET thì thật tiện lợi khi trên những thiết bị chiến đấu như là : xe tăng, máy bay vv được trang bị những thiết bị tính toán di động và chúng được kết nối với nhau theo kiểu

Ad hoc Khi đó hiệu quả chiến đấu sẽ rất cao và hệ thống thông tin thực sự phát huy được tác dụng Điều này cũng đúng trong những trường hợp triển khai lực lượng kịp thời cứu hộ khắc phục thảm hoạ Thông tin sẽ được trao đổi kịp thời giữa các nhóm cứu hộ mà không cần một sự triển khai hệ thống mạng nào cả [5]

Trong những năm tới đây, mục tiêu là mỗi xe ôtô sẽ được trang bị máy tính Mỗi máy tính này đều có những thiết bị truy cập Internet Đây sẽ

là một ứng dụng rất quan trọng đối với cuộc sống của con người

2 Phân tích đánh giá hiệu suất mạng máy tính

2.1 Khái niệm hiệu suất

Hiệu suất (performance) là khái niệm tổng quát xác định chất lượng hoạt động của một hệ thống - xét từ góc độ của người sử dụng - về độ sẵn sàng (availability), tính hiệu quả (effectivity), độ tin cậy (reliability) và độ an toàn (security) của hệ thống đó (Hình 3-a) Hiệu suất được thể hiện, đối với thiết

bị phần cứng, bằng số lệnh trong một đơn vị thời gian MIPS; với hệ thống chương trình ứng dụng là số lượng nhiệm vụ (task) giải quyết được trong một đơn vị thời gian; đối với mức tổ chức là các thông số thể hiện tính thân thiện sử dụng như thời gian đáp ứng, độ sẵn sàng phục vụ, giao diện người dùng, ngôn ngữ lập trình,

Chất lượng hoạt động của một hệ thống phụ thuộc vào năng lực phục vụ của

hệ thống dưới ảnh hưởng của tải đầu vào, và được thể hiện bằng kết quả hoạt động của hệ thống ở đầu ra (Hình 3-b) Hiệu suất của một hệ thống phụ thuộc vào năng lực hoạt động của phần cứng (tốc độ tính toán của CPU, thời gian truy nhập và dung lượng bộ nhớ làm việc và bộ nhớ ngoài, tốc độ và phương thức vào/ra số liệu, ), phần mềm (khả năng hỗ trợ của hệ điều hành đối với các chương trình ứng dụng để có thông lượng lớn), độ song song tính toán của phần cứng, phần mềm cũng như mục tiêu của phương thức vận hành (đối với một hệ thống tính toán ở chế độ hoạt động hỗn hợp giữa tương tác với người dùng và xử lý theo lô chẳng hạn, thì thời gian phản ứng ngắn được ưu tiên thực hiện hơn là số lượng tối đa các bài toán của lô được xử lý) [17, 47]

Hình 3 : Đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống

Trong khuôn khổ luận văn này, hiệu suất của một hệ thống được hiểu theo nghĩa hẹp là các tiêu chí xác định tính hiệu quả hoạt động của hệ thống một cách định lượng Đối với một hệ thống mạng máy tính, đánh giá hiệu suất (performance evaluation) là xác định về mặt định lượng chất lượng phục vụ của hệ thống mạng đó đối với việc chuyển tiếp (bao gồm truyền và chuyển mạch) số liệu của các ứng dụng trên hệ thống mạng Chất lượng chuyển tiếp

số liệu của một hệ thống mạng được xác định bằng các đại lượng như thông lượng (throughput), nghĩa là: lượng số liệu (hữu ích) tính bằng bit, byte hoặc gói số liệu được truyền tải trong một đơn vị thời gian; thời gian trễ (delay)

HW

Speed MIPS

Capacity Service rate

Throughput (task pro time unite)

O S

Appl.

Organization User

Level Level software

Capacity Service rate

Throughput (task pro time unite)

O S

Appl.

Organization User

Level Level software HW

Speed MIPS

Capacity Service rate

Throughput (task pro time unite)

O S

Appl.

Organization User

Level Level software

và thay đổi thời gian trễ (delay variation) khi chuyển tiếp số liệu trên một hệ thống mạng; xác suất xảy ra lỗi và thời gian xử lý, khắc phục lỗi;

2.2 Công cụ mô phỏng NS-2 (network simulator)

NS là hệ mô phỏng máy tính được xây dựng và phát triển bởi dự án

VINT của phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley National Laboratory

NS là một hệ mô phỏng có cấu trúc hướng đối tượng Nó được xây dựng trên hai ngôn ngữ là C++ và Otcl và được xây dựng theo cách có thể được mở rộng bởi người dùng hay người dùng có thể “lập trình được” trên nền của hệ mô phỏng NS Với cách tiếp cận này thì ta có thể coi mỗi một

mô phỏng như một chương trình hơn là các mô hình cứng nhắc, tĩnh, không thể thay đổi Một mô phỏng gồm các đối tượng có thể cấu hình tuỳ thích để

có thể đạt được mục đích mô phỏng đề ra

Do vậy những người thiết kế NS đã không chọn một ngôn ngữ duy nhất để xây dựng môi trường mô phỏng, bởi sẽ có những đòi hỏi khác nhau

về chính mục đích của việc mô phỏng Khi cần mô phỏng những tầng thấp của mạng máy tính, xử lý ở mức độ byte hay tiêu đề của các gói tin thì cần đòi hỏi một hiệu quả tính toán cao, và một ngôn ngữ biên dịch như C++ đáp ứng được nhu cầu đó Mặt khác, việc phải thay đổi cấu hình của một mô phỏng để tìm ra một cấu hình tốt và hiệu quả lại yêu cầu ngôn ngữ script, ví

dụ như là Tcl

Những người thiết kế đã khai thác mô hình lập trình phân chia ngôn ngữ (trên hai ngôn ngữ), ở đó nhân của hệ mô phỏng được viết bằng C++ là phần có tốc độ thực hiện cao, còn phần định nghĩa, cấu hình và điều khiển

mô phỏng được viết ngôn ngữ script Tcl Cách tiếp cận này mang lại một hiệu quả rất cao vì nó đã chia mục đích của việc mô phỏng thành những phần nhỏ và giải quyết chúng bằng những ngôn ngữ phù hợp Nó cung cấp cho người lập trình mô phỏng khả năng sử dụng dễ hơn, mềm dẻo và linh hoạt hơn

Vì C++ là ngôn ngữ hướng đối tượng mà Tcl thì không nên ta phải xây dụng những đối tượng macro bậc cao cho phù hợp với các lớp của C++ Sau này, để đạt được một hệ thống sáng sủa hơn, mềm dẻo và mạnh hơn, trong phiên bản thứ hai của mình, NS đã thay Tcl bởi một ngôn ngữ Tcl hướng đối tượng là OTcl Và để có sự liên kết gắn bó giữa hai ngôn ngữ đó,

ta cần có một ngôn ngữ làm cầu nối là TclCl là một ngôn ngữ mở rộng của Tcl Với sự thay đổi đó thì các đối tượng macro đã được thay bằng các lớp OTcl và trở nên dễ sử dụng bởi tập hợp các phương thức của một lớp Otcl được thiết kế gần gũi với người viết các script, tức là các người dùng Điều

đó dẫn đến một kiến trúc phân tầng hỗ trợ nhiều tầng các khái niệm mô phỏng Ví dụ như các đối tượng bậc cao sẽ thể hiện toàn bộ kiến trúc của mạng, và tập hợp các công việc trong mạng, trong khi đó các đối tượng bậc thấp lại thể hiện được các khái niệm như phân kênh, hàng đợi,

Cùng với NS, Nam ( Netwoark Animator) và Xgraph là hai công cụ

để trực quan hoá những kết quả thu được từ NS Khi NS thực hiên mô

phỏng, nếu chương trình mô phỏng của người dùng có các thao tác để xuất

ra các file dữ liệu *.nam thì những file đó là đầu vào của chương trình Nam,

và Nam thể hiện những phần của việc mô phỏng như là topology của mạng,

sự truyền tin, hỗ trợ việc xem xét các kết quả mô phỏng tại những thời gian theo ý muốn Nếu chương trình mô phỏng của người dùng có các thao tác

xuất ra các file *.tr thì chúng sẽ là dữ liệu vào đối với Xgraph Xgraph sẽ

nhận dữ liệu và vẽ ra những biểu đồ thể hiện những kết quả của công việc

mô phỏng

NS được nhiều cá nhân và tổ chức ở nhiều nơi trên thế giới dùng để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu mạng máy tinh NS hỗ trợ các khía cạnh khác nhau trong mạng máy tính Từ các lớp mô phỏng cơ sở như là các Node, các liên kết để tạo thành Topology của mạng, các gói tin, việc chuyển tiếp các gói tin, độ trễ truyền dẫn, rồi đến lớp dùng để phân kênh các gói tin nhằm mục đích hướng các gói tin đến các trạm xác định, các Agent xác định Rồi đến việc quản lý các hàng đợi tại các trạm trung chuyển, lập lịch trình cho các gói tin, các thuật toán tránh tắc nghẽn, nâng cao hiệu suất truyền tin Trong NS, ngưòi dùng có thể mô phỏng các mạng LAN, mạng không dây, thông tin vệ tinh, rồi các ứng dụng như là Ftp, Http, Webcache, Telnet, dựa trên các Agent của tầng giao vận, trên các mô phỏng về kỹ thuật chọn đường, các giao thức tầng giao vận,

CHƯƠNG 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG KHÔNG DÂY

KHÔNG CẤU TRÚC

1.Nguyên tắc chung

Một trong những thách thức lớn nhất đối với việc định tuyến trong mạng di động kiểu ad hoc là tổ chức kết nối mạng thay đổi một cách ngẫu nhiên, phụ thuộc vào sự di chuyển của các trạm làm việc kết nối trong mạng;

số lượng các trạm làm việc, đồng thời là các trạm định tuyến, có thể rất lớn, thông tin định tuyến, vì vậy, luôn thay đổi, đòi hỏi các thuật toán định tuyến phải được thiết lập một cách tin cậy, hạn chế đến mức tối đa việc trao đổi, cập nhật thông tin định tuyến đối với các trạm làm việc, để có thể dành tối

đa băng thông có được cho việc trao đổi số liệu của các ứng dụng

Có hai loại thuật toán định tuyến trong mạng di động kiểu ad hoc: a) Định tuyến trước (proactive), và b) Định tuyến theo yêu cầu (reactive or on-demand) Định tuyến trước cho phép các trạm làm việc cập nhật thường xuyên bảng định tuyến của mình, nghĩa là: luôn có được thông tin định tuyến đến mỗi trạm đích khác trong mạng, và vì vậy, sẵn sàng chuyển tiếp các gói số liệu đến trạm đích khi có yêu cầu định tuyến Để có được thông tin định tuyến tức thời, đồng nghĩa với thời gian định tuyến nhỏ, các trạm làm việc phải thường xuyên trao đổi, cập nhật thông tin định tuyến, khiến tải

số liệu trong mạng nói chung tăng, làm giảm thông lượng số liệu hữu ích trong mạng Ngược lại, định tuyến theo yêu cầu chỉ xác định thông tin định tuyến đến trạm đích khi có yêu cầu định tuyến Rõ ràng, trong trường hợp này, để giảm thiểu thông tin định tuyến trao đổi, người ta phải trả giá bằng thời gian định tuyến lớn, và vì vậy, các thuật toán định tuyến theo yêu cầu

không phù hợp với các ứng dụng thời gian thực ngày càng phổ biến trong mạng

Phần tiếp theo trình bày một số thuật toán định tuyến tới một đích (unicast routing algorithms) Về các thuật toán định tuyến quảng bá (multicast routing algorithms)

2.Các thuật toán định tuyến

2.1 Định tuyến trước

Một trong các thuật toán định tuyến trước là thuật toán định tuyến vector khoảng cách DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector), dựa trên thuật toán định tuyến Ballman-Ford Mỗi trạm làm việc thường xuyên cập nhật bảng định tuyến của mình với thông tin đường đi và số chặng tới tất

cả các trạm đích trong mạng Thông tin định tuyến tới mỗi trạm đích (routing entry) được gán một số tuần tự của trạm đích đó Số tuần tự này giúp các trạm làm việc phân biệt thông tin định tuyến cũ (stale route) với thông tin định tuyến mới, từ đó giúp ngăn chặn việc hình thành đường đi vòng lặp (routing loop) đối với mỗi trạm đích Thông tin định tuyến được phát quảng bá định kỳ trong mạng để giúp các trạm cập nhật bảng định tuyến của mình

Để hạn chế thông tin định tuyến trao đổi trong mạng, người ta thực hiện phương thức quảng bá thông tin định tuyến như sau: a) Quảng bá toàn bộ nội dung bảng định tuyến (full dump) mỗi khi trạm làm việc di chuyển (không định kỳ); b) Chỉ quảng bá định kỳ những thông tin định tuyến mới thay đổi

so với lần quảng bá toàn bộ nội dung bảng định tuyến (full dump) trước (incremental dump) [5, 6]

2.2 Định tuyến theo yêu cầu

Thuật toán định tuyến theo nguồn động (Dynamic Source Routing) thuộc loại thuật toán định tuyến theo yêu cầu Định tuyến theo nguồn nghĩa là: thông tin định tuyến do trạm nguồn xác định, và được chuyển cùng với gói số liệu Dọc đường đi, các trạm làm việc chuyển tiếp gói số liệu đến trạm đích căn cứ vào thông tin định tuyến được lưu giữ trong trường thông tin định tuyến của bản thân gói số liệu đó

Thông thường, mỗi khi có yêu cầu định tuyến một gói số liệu đến một trạm đích, trạm làm việc điền thông tin định tuyến có trong bảng định tuyến vào trường định tuyến của gói số liệu và chuyển đi trong mạng Trong trường hợp không tìm thấy thông tin định tuyến trong bảng định tuyến, trạm làm việc khởi động quá trình tìm đường (path discovery), bằng cách phát quảng

bá gói số liệu "yêu cầu tìm đường", trong đó chứa địa chỉ trạm đích, địa chỉ trạm nguồn và một từ định danh Các trạm làm việc nhận được yêu cầu tìm đường xử lý như sau: a) nếu biết thông tin định tuyến đến trạm đích thì điền các thông tin này vào trường định tuyến của gói số liệu trả lời và gửi trở lại trạm có yêu cầu định tuyến; b) trong trường hợp ngược lại, trạm làm việc điền địa chỉ của mình vào trường định tuyến và chỉ gửi trên tất cả các đường

ra, nếu gói số liệu này chưa được "nhìn" bởi trạm này và địa chỉ của trạm này chưa có trong trường định tuyến của gói số liệu Trạm đích nhận được gói số liệu "yêu cầu tìm đường" với các thông tin định tuyến từ trạm nguồn đến trạm đích, điền các thông tin này vào trường định tuyến của gói số liệu trả lời và gửi trở lại trạm có yêu cầu định tuyến

Trạm làm việc hoặc trạm đích gửi gói số liệu trả lời cho trạm có yêu cầu định tuyến bằng nhiều cách: a) gửi thông thường cho một trạm đích khi có đầy đủ thông tin định tuyến; b) nếu đường truyền "yêu cầu tìm đường" là đường truyền đối xứng, nghĩa là, đường truyền có khả năng trao đổi số liệu hai chiều, thì sử dụng chính đường truyền này để gửi lại trạm nguồn; c) nếú

cả hai khả năng trên đều không thực hiện được thì khởi động quá trình tìm đường đến trạm nguồn như mô tả ở trên

Bảng định tuyến được cập nhật mỗi khi có một đường mới được xác định, và thông tin định tuyến mới được bổ sung vào bảng định tuyến, hoặc một hay nhiều chặng bị lỗi, và tất cả thông tin định tuyến đến trạm đích có chứa chặng bị lỗi đều bị loại bỏ khỏi bảng định tuyến Mỗi khi phát hiện một hoặc nhiều chặng (link) bị lỗi (mức liên kết số liệu), trạm làm việc quảng bá thông tin lỗi nói trên trong gói số liệu thông báo lỗi (route error packet) để các trạm làm việc cập nhật bảng định tuyến của mình [5, 6]

3.Phân tích đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến

Trong môi trường truyền thông không dây, di động Có rất nhều yếu

tố ảnh hưởng tới hiệu suất hoạt động của mạng Các nhân tố này tiềm ẩn chủ yếu tại bốn tầng cuối trong mô hình hệ thống mở bảy mức OSI Đó là các

tầng: tầng vật lý (physic layer), tầng liên kết dữ liệu (MAC), tầng mạng (network), và tầng giao vận (transport) Với môi trường truyền thông bằng

sóng vô tuyến hiệu suất mạng sẽ bị giảm bởi những yếu tố là: ảnh hưởng của

nhiễu (noise), sự giảm năng lượng sóng mang (fading), băng thông hẹp (IEEE 802.11b là 11Mbps) Tại tầng mạng (network layer), với đặc trưng

của mạng MANET là các trạm trong mạng hoạt động như chức năng của bộ

định tuyến (router) mạng MANET trở thành mạng Multi – Hop Vậy nên vai

trò của các giao thức định tuyến là rất quan trọng Trong mạng không dây không cấu trúc, hiện tượng mất kết nối thường xuyên xảy ra, các thuật toán tìm đường luôn được kích hoạt để tìm ra những con đường mới Vậy nên hiệu suất hoạt động các giao thức định tuyến có ảnh hưởng rất lớn tới hiệu suất của mạng [2, 3, 21, 28]

Phần dưới đây trình bày những kết quả mô phỏng hoạt động của ba giao thức định tuyến là AODV, DSDV và DSR Tiếp đó trình bày những phân tích đánh giá hiệu suất hoạt động của ba giao thức trên

3.1 Các đơn vị đo hiệu suất

- Tỷ lệ gói tin tới đích (Packet delivery fraction - PDF)

Tỷ lệ của số lượng các gói tin tới đích trên tổng số gói tin được phát đi

- Độ trễ truyền tin (Average end – to – end delay of data packet)

Tổng thời gian trễ do quá trình tìm đường, thời gian chờ trong hàng đợi của tầng MAC, thời gian trễ do truyền lại các gói tin bị mất, thời gian phát và truyền tin

- Chi phí định tuyến (Normalized routing load)

Tỷ lệ số lượng các gói tin định tuyến đối với số lượng các gói tin dữ liệu

nhận được tại trạm đích (receiver)

Trong các đơn vị đánh giá hiệu suất nêu trên, hai đơn vị đầu tiên là: Tỷ lệ

gói tin tới đích (Packet delivery fraction - PDF) và Độ trễ truyền tin (Average end – to – end delay of data packet) là quan trọng hơn Đơn vị đo thứ ba: Chi phí định tuyến (Normalized routing load) chỉ nhằm đánh giá

thêm về tác động của giao thức định tuyến đối với hiệu suất TCP

3.2 Kết quả mô phỏng và những phân tích

3.2.1 So sánh hiệu suất hoạt động của ba giao thức định tuyến AODV, DSR và DSDV

Mô phỏng thực hiện đối với ba giao thức định tuyến là AODV, DSR,

và DSDV Kết quả dưới đây được rút ra từ 50 lần chạy mô phỏng với những

tham số là: 20 nguồn node, di chuyển trong phạm vi 500x500 met Thời gian

tạm dừng(pause time) của các node là 0, 10, 20,30, 100 giây(thời gian tạm

dừng của các node >= 100 giây thì các node được coi là đứng yên) thời

gian tạm dừng của các node thể hiện tính ổn định tạm thời Topology của

mạng Mô phỏng này nhằm mục đích so sánh hiệu suất hoạt động của TCP

trên ba giao thức định tuyến Để từ đó có thể lựa chọn những giao thức định

tuyến có hiệu suất hoạt động cao hơn

Hình 4 - Biểu đồ so sánh tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) của các giao thức

định tuyến AODV, DSDV và DSR

Hình 5 - Biểu đồ so sánh độ trễ truyền tin (Average end – to – end

delay of data packet) của các giao thức định tuyến AODV, DSDV và

3.2.1.2 Phân tích các kết quả thu đƣợc

A/ So sánh tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) : Theo số liệu mô phỏng và ta

có thể quan sát trong hình 4 thì trong các trường hợp mạng có thời gian tạm

dừng của các node(pause time) lớn có nghĩa là các node ít di chuyển,

Topology mạng ít thay đổi thì tỷ lệ các gói tin tới đích của cả ba giao thức định AODV, DSR, DSDV đều đạt xấp xỉ 100% Đối với trường hợp mạng

có thời gian tạm dừng của các node là nhỏ, các node di chuyển liên tục, thì

tỷ lệ các gói tin tới đích (PDF) của ba giao thức định tuyến trên có sự khác

biệt rõ ràng Tỷ lệ gói tin tới đích của giao thức AODV, trung bình là 95% PDF của giao thức DSR là xấp xỉ 90%, còn của DSDV là khoảng 75%

Điều đó chứng tỏ rằng tỷ lệ các gói tin tới đích (PDF) phụ thuộc nhiều vào

điều kiện di chuyển của các node trong mạng Đối với những mạng mà có

các node di chuyển liên tục thì các giao thức định tuyến loại On-Demand có

tỷ lệ các gói tin tới đích vượt trội hơn hẳn so với các giao thức định tuyến

loại proactive

B/ So sánh độ trễ truyền tin(Average End-End Packet Delivery): Độ

trễ truyền tin(Average End-End Packet Delivery) của ba giao thức định

tuyến AODV, DSR, và DSDV có sự trênh lệch đáng kể khi các node trong

mạng di chuyển liên tục(thời gian tạm dừng nhỏ) Giao thức AODV có độ

trễ trung bình nhỏ nhất, sau đó là DSR và DSDV Ví dụ như trong trường

hợp mạng có thời gian tạm dừng của các node(pause time) là 20 giây Độ trễ

truyền tin của: AODV là 0.9 giây, DSR là 1.5 giây, còn DSDV là 2.0 giây

Qua so sánh hai thông số đánh giá hiệu suất ở trên thì cả hai giao thức

định tuyến thuộc loại On-demand đều cho kết quả hiệu suất hoạt động cao hơn giao thức DSDV (proactive) Vậy nên đối với những mô phỏng tiếp theo chỉ thực hiện trên hai giao thức On-Demand là AODV và DSR

3.2.2 So sánh hiệu suất hoạt động của hai giao thức AODV và DSR với

số lƣợng các node và thời gian tạm dừng khác nhau

Trong mô phỏng ở trên, đối với những mạng có sự di chuyển của các node cao với 20 node trong mạng Hiệu xuất TCP trên giao thức AODV cao hơn giao thức DSR Để có kết quả toàn diện hơn, chúng tôi tiến hành mô phỏng với số lượng các node là 10, 20, 30, 40 với thời gian tạm dừng của

các node(pause time) là 0, 10, 20, 40, 100 giây Tần số gửi tin là 4 gói

tin/giây

3.2.2.1 Kết quả mô phỏng

Hình 6 - Biểu đồ so sánh tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) của các giao thức

Hình 7 - Biểu đồ so sánh chi phí định tuyến của các giao thức định

tuyến AODV và DSR Mạng 10 node

Normalized Routing Load

Hình 8 - Biểu đồ so sánh tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) của các giao thức

định tuyến AODV và DSR Mạng 20 node

Hình 9 - Biểu đồ so sánh chi phí định tuyến của các giao thức định

tuyến AODV và DSR Mạng 10 node

Norm alized Routing Load

Hình 10 - Biểu đồ so sánh tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) của các giao

thức định tuyến AODV và DSR Mạng 30 node

Hình 11 - Biểu đồ so sánh chi phí định tuyến của các giao thức định

tuyến AODV và DSR Mạng 30 node

Normalized Routing Load

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Hình 12 - Biểu đồ so sánh tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) của các giao

thức định tuyến AODV và DSR Mạng 40 node

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Pause time (secs)

Normalized Routing Load

AODV, 40 sources DSR, 40 sources

Hình 13 - Biểu đồ so sánh chi phí định tuyến của các giao thức định

tuyến AODV và DSR Mạng 40 node

3.2.2.2 Phân tích các kết quả thu đƣợc

A/ So sánh tỷ lệ các gói tin tới đích(Packet delivery fraction - PDF)

Trong trường hợp mạng có 10 node thì tỷ lệ gói tin tới đích (PDF) của hai

giao thức AODV và DSR là gần tương đương nhau Tỷ lệ PDF trung bình

khi thời gian tạm dừng của các node (pause time) là 0, 10, 20, 40, 100 giây,

đạt được xấp xỉ 95%, tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt thì PDF của giao thức DSR thấp hơn PDF của giao thức AODV

Trong trường hợp mạng có số lượng node tương đối lớn 20, 30, 40 Tỷ lệ các

gói tin tới đích (PDF) của giao thức AODV cao hơn so với PDF của giao

thức DSR khoảng 15% (tính trung bình trong các trường hợp thời gian tạm dừng của các nốt là 0, 10, 20, 40, 100 giây)

B/ So sánh chi phí định tuyến (Normalized routing load):

Trong mọi trường hợp mô phỏng, chi phí định tuyến (Normalized routing

load) của giao thức DSR nhỏ hơn đáng kể so với chi phí định tuyến của giao

thức AODV

Từ hai mục (A) và (B) cho ta thấy rằng: trong trường hợp mạng có số lượng node nhỏ thì hiệu suất hoạt động của hai giao thức DSR và AODV là xấp xỉ như nhau Nhưng khi số lượng node lớn và trạng thái di chuyển của

các node là cao (thời gian tạm dừng nhỏ) thì giao thức AODV có hiệu suất

cao hơn Tuy nhiên trong những điều kiện này, giao thức DSR lại có chi phí

định tuyến (Normalized routing load) thấp hơn giao thức AODV, theo số liệu mô phỏng thì giao thức AODV có yêu cầu tìm đường (route request –

RREQ) nhiều hơn giao thức DSR

3.3 Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng:

A/ Kết quả mô phỏng ở mục 3.2.1 đã chỉ ra những đặc điểm khác biệt quan trong trong hiệu suất hoạt động của các giao thức định tuyến Những cách ứng sử của các giao thức định tuyến khi có hiện tượng mất đường truyền giữa các node

- Giao thức DSDV hoạt động tương đối tốt khi thời gian tạm dừng của các node lớn Nhưng trong điều kiện các node trong mạng di chuyển

liên tục(pause time nhỏ) hiệu suất hoạt động của giao thức DSDV

giảm hẳn Tỷ lệ các gói tin tới đích chỉ còn khoảng 70% Như chúng

ta đã biết DSDV thuộc loại giao thức định tuyến trước (proactive) Mỗi trạm trong mạng đều có một bảng định tuyến Trong bảng định tuyến này, mỗi một trạm đích đều có một con đường để đến Các trạm

sẽ cập nhật những thông tin định tuyến cho nhau theo một thời gian nhất định hoặc khi có sự thay đổi về Topology mạng Nhưng trong mạng MANET khi mà các node di chuyển liên tục, nhiều đường truyền bị mất do sự thay đổi Topology Với điều kiện như vậy các thông tin định tuyến chưa thể hội tụ ngay được, nên một số tuyến đường trong bảng định tuyến trở nên bị “cũ” có nghĩa là trên thực tế tuyến đường đó đã không còn nữa Vậy khi một gói tin mà không thể tới được đích do không có địa chỉ đích hay đường tói đích đã “cũ” thì

nó sẽ bị loại bỏ Đây chính là nguyên nhân của sự giảm hiệu suất hoạt động của giao thức DSDV khi mà các node trong mạng di chuyển liên tục

- Đối với hai giao thức định tuyến On-demand là: AODV và DSR thì hiệu suất hoạt động tương đối cao và giường như nó không bị ảnh hưởng nhiều bởi trạng thái di chuyển của các node trong mạng Đối