Tìm hiểu về mạng ADHOC

Tìm hiểu về mạng ADHOC

Khoa Công Nghệ Điện Tử Truyền Thông ………………o0o……………… BÀI BÁO CÁO MÔN:MẠNG VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU Đề Tài:Tìm hiểu về mạng ADHOC Các thành viên trong nhóm: 1.Nguyễn Văn Nam 2.Bùi Văn Tú 3.Bùi Văn Toàn 4,Nguyễn Văn Phúc Thái Nguyên, tháng 4 năm 2013 MỞ ĐẦU I, Giới thiệu chung Từ thập kỷ 90 của thế kỷ trước với sự ra đời của kỹ thuật số đã đẩy nhanh sự phát triển các công nghệ và ứng dụng chúng vào các lĩnh vực đời sống hàng ngày, đặc biệt là truyền thông và công nghệ thông tin. Các hệ thống truyền thông từ cố định đến di động đã phủ rộng khắp thế giới làm cho con người khắp nơi trên thế giới có thể thông tin với nhau mọi lúc, mọi nơi. Tuy vậy, trong một số hoàn cảnh đặc biệt như thiên tai, động đất, chiến tranh v.v ở đó cơ sở hạ tầng viễn thông bị phá vỡ, lúc đó con người sẽ liên lạc với nhau như thế nào? Để giải quyết bài toán đó, gần đây một dạng công nghệ mạng ra đời, đó là mạng AD HOC. Mạng Ad hoc là một tập hợp các nút mạng di động không dây, nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào. Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu hình mạng thay đổi thường xuyên. Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng hạ tầng chung tạo thành mạng thông tin toàn cầu. Với đặc điểm đó, một loạt thách thức với mạng ad hoc được đặt ra cần giải quyết: - Năng lượng: Các phần tử của mạng ad hoc hoạt động được nhờ nguồn năng lượng là pin. Vì vậy vấn đề tuổi thọ của pin, công suất pin cần đặc biệt quan tâm. - Cấu hình mạng không có cấu trúc và biến đổi ngẫu nhiên. - Chất lượng liên lạc thấp. - Băng thông rất hạn chế. - Khả năng mở rộng phải rất cao vì mạng có rất nhiều nút mạng. Với những bài toán cơ bản đó, nhiều nhà khoa học đã dành thời gian thích đáng để nghiên cứu và giải quyết. II,Tổng quan về mạng ADHoc Mạng ad hoc là một tập hợp các nút mạng di động không dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự quản lý tập trung nào. Các nút mạng liên lạc với nhau qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên và tự tổ chức một cách tùy tiện, vì vậy cấu hình không dây của mạng thay đổi nhanh chóng và không thể đoán trước. Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với các mạng hạ tầng tạo thành mạng toàn cầu. Hình 1.1 Mạng ad hoc di động - MANET Mạng ad hoc có đặc điểm dễ kết nối với mạng truy nhập, cấu trúc mạng đa chặng động và truyền thông ngang hàng trực tiếp. Tính đa chặng cần để làm cầu tới cổng kết nối vào mạng trục hạ tầng. Cổng kết nối phải có giao diện mạng của cả hai kiểu mạng và là một phần của cả mạng định tuyến rộng khắp và định tuyến ad hoc cục bộ. Người dùng được lợi từ mạng khắp nơi: di chuyển cho phép người dùng chuyển đổi giữa các thiết bị, phiên làm việc và vẫn có cùng dịch vụ cá nhân. Trạm di động cho phép thiết bị của người dùng di động quanh mạng và duy trì kết nối và khả năng truyền thông. Những vấn đề thách thức cần phải giải quyết trong mạng ad hoc: năng lượng; cấu hình mạng không có cấu trúc và biến đổi; chất lượng liên lạc thấp; ràng buộc về tài nguyên và khả năng co dãn. 1,Đặc điểm Một số đặc điểm chính của mạng Ad hoc: - Mỗi máy chủ không chỉ đóng vai trò là một hệ thống cuối cùng mà còn hoạt động như một hệ thống trung gian - Mọi nút mạng đều có khả năng di động - Tôp mạng thay đổi theo thời gian - Các nút di động sử dụng nguồn năng lượng pin có hạn - Băng thông trong thông tin vô tuyến hẹp - Chất lượng kênh luôn thay đổi - Không có thực thể tập trung , nói cách khác là mạng phân bố Có nhiều thiết bị khác nhau sử dụng trong mạng Ad hoc, chúng đều có đặc điểm chung là sử dụng nguồn năng lượng do pin cung cấp . Năng lượng mà pin có thể cấp cho các thiết bị này là có hạn, hơn nữa mọi hoạt động như thu phát vô tuyến , truyền lại và dẫn đường đểu tiêu thụ năng lượng. Vì vậy mà cần phải có những giao thức về năng lượng có hiệu quả cao và các kỹ thuật điều khiển công suất tốt hơn. Điều này cũng khó làm được bởi vì công nghệ pin không có được sự phát triển mạnh mẽ nhanh chóng như công nghệ sản xuất chip… do đó điểm này được coi là một nhược điểm của mạng Ad hoc. 2, Định tuyến trong mạng Ad Hoc Trong mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng Ad hoc nói riêng do mọi nút mạng đều có khả năng di chuyển nên topo mạng cũng thay đổi theo thời gian. Đặc điểm này gây ra khó khăn trong việc truyền tải gói tin. Mạng Ad hoc riêng gói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và nút mạng do đó để gói tin đến được đích thì nút mạng phải sử dụng phương pháp định tuyến . Giao thức định tuyến có hai chức năng :tìm, chọn đường tốt nhất và chuyển gói tin đến đúng đích. Dễ thấy rằng chức năng thứ hai rất đơn giản có thể sử dụng nhiều giao thức và cấu trúc dữ liệu có sẵn ví dụ như bảng định tuyến. Do đó ta sẽ đề cập sâu hơn về việc tìm, chọn đường của các nút. 2.1 Định tuyến Bellman-Ford Nhiều lược đồ định tuyến trước đây được xây dựng cho mạng không dây Ad hoc dựa trên thuật toán Bellman-Ford. Các lược đồ này cũng được nghiên cứu giải quyết các vấn đề của lược đồ Distance Vector (DV). Trong thuật toán Bellman-Ford, mọi nút i duy trì một bảng định tuyến hay ma trận chứa thông tin khoảng cách và thông tin về nút kế tiếp với i trên đường đi ngắn nhất tới đích j bất kỳ, trong đó khoảng cách chính là chiều dài ngắn nhất từ i tới j. Để cập nhật thông tin về đường đi ngắn nhất mỗi nút sẽ thường xuyên trao đổi bảng định tuyến với các nút bên cạnh nó. Dựa trên bảng định tuyến từ các nút lân cận đó , nút i biết được khoảng cách ngắn nhất từ các lân cận của nó tới nút bất đích bất kỳ. Do đó , với mỗi nút đích j, i sẽ chọn một nút k cho chặng kế tiếp sao cho khoảng cách từ i qua k tới j là nhỏ nhất . Các thông tin tính toán mới này sẽ được lưu trữ vào bảng định tuyến của i và được trao đổi ở vòng cập nhật định tuyến tiếp theo. Định tuyến này có ưu điểm là đơn giản và tính toán hiệu quả do đặc điểm phân bố. Tuy nhiên nhược điểm của nó là hội tụ chậm khi topo mạng thay đổi và có xu hướng tạo các vòng lặp định tuyến đặc biệt là khi các điều kiện liên kết không ổn định. 2.2 Định tuyến Link State Định tuyến Link State còn gọi là định tuyến trạng thái liên kết. Định tuyến này cũng là một trong những thuật toán được sử dụng rộng rãi trong nhiều giao thức, chẳng hạn như OSPF. Mặc dù định tuyến Link State hiếm khi được sử dụng cho mạng không dây, song nó lại chứa nhiều tiềm năng cung cấp các giải pháp định tuyến theo yêu cầu cho các tiêu chuẩn định tuyến khác nhau. Trong định tuyến Link State, khi có một nút phát hiện ra có thay đổi trong vùng kết nối với nó, nút làm tràn trạng thái kết nối mới bởi gói chứa thông tin kết nối cục bộ được cập nhập. Các nút khác thông báo về sự thay đổi này khi gói trạng thái liên kết tới, do đó thông tin về topo mạng thay đổi theo. Định tuyến Link State đáp lại sự thay đổi mạng nhanh hơn DBF và tương tự với định tuyến on-demand. Nó tính toán đường đi theo kiểu tập trung để dễ dàng chống lại các vòng lặp định tuyến. Tuy nhiên do định tuyến Link State cũng dựa vào cơ chế flooding để quảng bá thông tin về sự thay đổi kết nối của nút, phụ trội điều khiển làm cho định tuyến Link State có chất lượng kém hơn DBF và on-demand trong môi trường không dây bất chấp độ chính xác mà nó cung cấp. Vấn đề khác trong định tuyến Link State là một nút có thể không tìm ra những biến đổi về topo mạng chính xác nếu toàn bộ mạng được chia thành hai phần và sau đó được khôi phục lại. 2.3 Định tuyến tìm đường Các giao thức mới như DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) và WRP (Wireless Routing Protocol) dựa trên DBF để cung cấp định tuyến lặp tự do. Cho dù là vấn đề đã được giải quyết thì vẫn còn tồn tại vấn đề về độ thiếu chính xác trong định tuyến DBF, vấn đề này có thể gây ra suy giảm hiệu suất mạng. Nguyên nhân dẫn đến sự thiếu chính xác là do nút mạng không có được cac thông tin trạng thái toàn mạng dẫn đến các quyết định đưa ra chỉ tối ưu trong phạm vi cục bộ, nó không đảm bảo một giải pháp tối ưu trong môi trường di động. Thêm vào đó khi DBF chỉ duy trì một đường đi duy nhất tới đích, nó thiếu khả năng thích nghi với các lỗi liên kết và yêu cầu nghiên cứu mở rộng cho các hỗ trợ multicasting. 2.4 Định tuyến On-demand Định tuyến On-demand được biết đến như DC (Diffusion Computation) cũng được sử dụng trong mạng không dây. Trong lược đồ định tuyến On-demand, một nút xây dựng đường đi bằng cách chất vấn tất cả các nút trong mạng. Gói chất vất tìm được ID của các nút trung gian và lưu giữ ở trường Path. Khi dò tìm các chất vấn, nút đích hay các nút đã biết đường đi tới đích trả lời chất vấn bằng cách phúc đáp “source routed” cho nơi gửi. Do nhiều phúc đáp nên có nhiều đường đi được tính toán và duy trì. Sau khí tính toán đường đi nút liên kết bất kỳ bắt đầu các chất vấn , phúc đáp khác nên luôn cập nhật định tuyến. Mặc dù các tiếp cận dựa trên cơ sở DC có độ chính xác cao hơn và phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi mạng nhưng phụ trộ điều khiển quá mức do thường xuyên yêu cầu flooding đặc biệt khi tính di động cao hơn và lưu lượng dày đặc phân bố đều nhau. Kết quả là các giao thức định tuyến On-demand chỉ phù hợp với mạng không dây băng thông rộng trễ truyền gói nhỏ và lưu lượng rất mỏng. 2.5 Định tuyến vùng Định tuyến vùng là một giao thức định tuyến khác thiết kế trong môi trường Ad hoc. Đây là giao thức lai giữa định tuyến On-demand với một giao thức bất kỳ đã tồn tại. Trong định tuyến vùng mỗi nút xác định vùng riêng khi nút ở khoảng cách nhất định. Hai lược đồ định tuyến khác nhau được yêu cầu cho định tuyến vùng. Để định tuyến trong vùng có thể sử dụng bất kỳ lược đồ giao thức nào DBF hoặc LS. Mục đích trong vùng là để duy trì thông tin đầy đủ về khả năng nút đạt tới đích của nút ở trong vùng đang xét. Định tuyến vùng trung gian sử dụng định tuyến On-demand để tìm đường đi.Định tuyến vùng kết hợp hai lược đồ định tuyến nêu trên và hoạt động như sau: khi có lưu lượng cần được định tuyến, nó kiểm tra xem đích có ở trong vùng đó hay không. Nếu nút đích ở trong vùng trung gian duy trì thông tin cần thiết. Khi nút gửi một lưu lượng tới đích ở phạm vi ngoài vùng của nút, định tuyến vùng sẽ gửi các gói yêu cầu theo kỹ thuật multicasting tới các nút đường biên để tìm đường đi, giao thức định tuyến trong vùng cung cấp đường đi ngắn nhất. Nếu một số nút đường biên có thông tin về đích thì các gói phúc đáp sẽ được gửi trở lại cho nguồn. Ngược lại, các nút đường biên sẽ vẫn cứ yêu cầu các nút đường biên khác cho đường đi tới đích. Ưu điểm của định tuyến vùng là khả năng mở rộng cấp độ khi nhu cần lưu trữ cho bảng định tuyến giảm xuống. Tuy nhiên do gần giống với định tuyến On-demand nên định tuyến vùng cũng gặp phải vấn đề về trễ kết nối và điểm kết thúc của các gói yêu cầu. 3, Giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc Phân loại các giao thức định tuyến: - Dựa trên bảng định tuyến: DSDV, WRP, - Theo yêu cầu: AODV, DSR, LMR > TORA, ABR > SSR 3.1 DSDV SDV là giao thức định tuyến vecto khoảng cách theo kiểu từng bước: trong mỗi nút mạng duy trì bảng định tuyến lưu trữ đích có thể đến ở bước tiếp theo của định tuyến và số bước để đến đích. DSDV yêu cầu nút mạng phải gửi đều đặn thông tin định tuyến quảng bá trên mạng Ưu điểm của DSDV là đảm bảo không có đường định tuyến kín bằng cách sử dụng số thứ tự đệ đánh dấu mỗi đường. Số thứ tự cho biết mức độ “mới” của đường định tuyến, số càng lớn thì mức độ đảm bảo càng cao (đường R được coi là tốt hơn R’ nếu số thứ tự của R lớn hơn, trong trường hợp có cùng số thứ tự thì R phải có số bước nhỏ hơn). Số thứ tự sẽ tăng khi nút A phát hiện ra đường đến đích D đị phá vỡ, sau đó nút A quảng bá đường định tuyến của nó tới nút D với số bước không giới hạn và số thứ tự sẽ tăng lên. Về cơ bản DSDV dùng thuật toán vecto khoảng cách có điều chỉnh cho phù hợp với mạng Ad hoc: có xét đến thay đổi cấu trúc mạng giữa các lần quảng bá thông tin. Để giảm lượng thông tin trong các gói tin cập nhật thông tin DSDV sử dụng hai loại bản tin: bản tin đầy đủ và bản tin có thông tin mới (so với thông tin cập nhật trước đó). 3.2 AODV Giao thức định tuyến AODV cho phép định tuyến nhiều bước giữa các nút mạng để thiết lập và duy trì mạng Ad hoc. AODV dựa trên thuật toán vecto khoảng cách nhưng thuộc loại định tuyến yêu cầu, AODV chỉ yêu cầu định tuyến khi cần thiết và không yêu cầu nút mạng phải duy trì đường định tuyến đến các nít mạng không tham gia trao đổi thôngtin AODV cho phép: định tuyến mở khi liên kết bị phá vỡ thông báo được gói đi ngay lập tức đến nhóm nút mạng liên quan và chỉ những nút mạng này thôi. Hơn nữa AODV cũng hỗ trợ định tuyến multicast và giải quyết được vấn đề đếm vô hạn trong thuật toán Bellman- Ford. Việc sử dụng số thứ tự ở nút mạng đích giúp cho đường định tuyến luôn được cập nhật và không hình thành đường định tuyến khép kín. 3.3 DSR Giao thức định tuyến DSR nằm trong lớp giao thức theo yêu cầu và cho phép nút mạng có thể tìm kiếm đường định tuyến thông qua nhiều nút mạng đến bất kỳ nút mạng đích nào. Định tuyến theo yêu cầu (hoạc từ nút nguồn) nghĩa là trong tiêu đề của mỗi gói tin chứa danh sách theo thứ tự nút mạng mà gói tin qua để đến nút mạng đích. DSR không sử dụng bản tin định kỳ (không có bản tin quảng bá đường định tuyến) nên giảm được băng thông mạng, bảo tôn được năng lượng pin và giảm được thông tin định tuyến. Để thực hiện những việc trên DSR dựa trên sự hỗ trợ của lớp MAC (lớp MAC sẽ thông tin cho giao thức định tuyến về trạng thái các liên kết). DSR cũng sử dụng hai cơ chế cơ bản là tìm kiếm đường và cập nhật đường định tuyến. 3.4 ZRP Giao thức ZRP la giao thứ sử dụng hỗn hợp hai kiểu tương tác và dự đoán trước. Nó chia thành nhiều vùng định tuyến và chỉ rõ hai giao thức riêng biệt hoạt động trong và giữa các vùng định tuyến. Giao thức IARP hoạt động trong các vùng định tuyến và lấy được khoảng cách ngắn nhất và đường định tuyến đến tất cả nút mạng trong vùng. Nó không chỉ rõ giao thức định tuyến theo kiểu dự đoán trước nào, như vecto hay trạng thái liên kết. Các vùng định tuyến khác nhau có thể hoạt động với giao thức intrazone khác nhau ngay cả khi nó bị giới hạn với những vùng này. Khi có sự thay đổi cấu trúc mạng thì thông tin cập nhật chỉ được truyền trong các vùng định tuyến liên quan chứ không phải toàn mạng. Giao thức thứ hai, IERP là giao thức tương tác được sử dụng để tìm đường định tuyến giữa các vùng định tuyến, khi nút mạng đích không nằm trong vùng định tuyến. Giao thức sẽ quảng bá RREQ đến tất cả nút mạng nằm ở đường biên trong vùng định tuyến. Thủ tục này được lặp lại cho đến khi nút mạng yêu cầu được tìm thấy và bản tin được trả lời được gửi đến nút nguồn. IERP sử dụng giao thứuc BRP và ZRP. 3.5 TORA TORA là giao thức định tuyến phân tán, thuật toán cơ bản là thuật toán hoán vị liên kết, nó được thiết kế nhằm tối thiểu hoá phản ứng với sự thay đổi về cấu trúc mạng. Khái niệm quan trọng trong giao thức này là các bản tin điều khiển được khoanh vùng trong tập hợp nhỏ các nút mạng. TORA đảm bảo tất cả các đường định là là vòng mở và cung cấp nhiều đường định tuyến cho mỗi cặp nút mạng nguồn và đích. Nó chỉ thực hiện thuần tuý chức năng định tuyến, chức năng khác phụ thuộc vào giao thức IMEP. Ba chức năng cơ bản là : Tạo định tuyến, cập nhật đường định tuyến, xoá bỏ đường định tuyến. Chức năng tạo đưòng định tuyến đơn giản là gán hướng cho liên kết mạng vô hường hoặc một phần mạng vô hướng, xây dựng lên đồ thị xoắn có hướng bắt từ nút mạng đích. Đồ thị xoắn có gốc ở nút đích D TORA gắn cho mỗi nút trong mạng một giá trị “chiều cao”, tất cả bản tin trong mạng được di chuyển theo chiều xuôi xuống: từ nút mạng có chiều cáo hơn đến nút mạng có chiều cao thấp hơn. Đường định tuyến được tìm thông qua bản tin truy vấn QRY và bản tin cập nhật UPD. Khi nút mạng không có liên kết xuống cần có định tuyến đến nút mạng đích, nó sẽ quảng bá gói tin QRY, gói tin này truyền trên mạng đến khi nó gặp được nút mạng đích hoặc có đường định tuyến đến nút mạng đích. Sau đó nó quảng bá UPD với chiều cao của nó. Tất cả nút mạng nhận được gói tin cập nhật này sẽ gửi chiều cao của nó đến nút có chiều cao lớn hơn giá trị trong gói UPD. Nút mạng cũng quảng bá gói tin UPD của riêng nó, kết quả thu được một số liên kết định hướng từ nút gửi bản tin truy vấn đến nút mạng đích. Duy trì đường định tuyến khi cấu trúc mạng thay đổi theo kiểu đường định tuyến đến đích được thành lập lại trong khoảng thời gian có hạn. Thủ tục xoá đường định tuyến được thực hiện thông quan bản tin CLR. 3.6 IMEP MEP là giao thức thiết kế hỗ trợ hoạt động của nhiều giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc. Ý tưởng giao thức tổng quát cho tất cả giao thức định tuyến sử dụng, nó kết hợp các kỹ thuật mà các giao thức lớp trên cần: - Phán đoán trạng thái liên kết - Kết hợp các bản tin điều khiển - Quảng bá một cách tin cậy - Giải địa chỉ lớp mạng - Các thủ tục chứng thực bảo mật liên quan router. IMEP cũng đưa ra cấu trúc nhận dạng router MANET, nhận dạng giao diện và đánh địa chỉ, với mục đích nâng cao chất lượng hoạt động của giao thức và giảm thiểu số lượng bản tin điều khiển, ghép các chức năng chung. Chính vì thế mà TORA và OLSR sử dụng IMEP cho các chứng năng khác định tuyến 3.7 CBRP CBRP chia nút mạng trong mạng Ad hoc thành các cluster chồng nhau hoặc rời rạc. Mỗi một cluster có một nút mạng đại diện có chứa các thông tin quan hệ nút mạng cho cluster đó. Đường định tuyến trong một cluster được tìm kiếm tự động thông qua thông tin quan hệ giữa các nút mạng. CBRP dựa tên thuật toán định tuyến nguồn tương tự như DSR, có nghĩa là định tuyến giữa các cluster được thực hiện thông qua bản tin RREQ gửi trên toàn mạng, chỉ khác là sô lượng nút nhỏ hơn. Trong khi giao thức định tuyến theo mặt phẳng sẽ chịu khối lượng tiêu đề quá tải khi mở rộng, CBRP cũng giống như các giao thứuc phân tán khác, điều này có lợi khi mà cấu trúc mạng thay đổi liên tục, hơn nữa sẽ chú ý đến sự tồn tại của liên kết một chiều.