Nghiên cứu nâng cao hiệu năng giao thức định tuyến cho mạng MANET

B GIÁO DO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cung Trọng Cƣờng NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG MANET LUN ÁN TIH THNG THÔNG TIN Hà Nội - 2015 B GIÁO DO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cung Trọng Cƣờng NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG MANET Chuyên ngành: H thng thông tin Mã s: 62480104 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN NG DN KHOA HC: 1. GS.TS Nguyn Thúc Hi 2. PGS.TS Võ Thanh Tú Hà Ni - 2015 i LỜI CẢM ƠN Lun án tih thng thông tin Nghiên cứu nâng cao hiệu năng giao thức định tuyến cho mạng MANETc hoàn thành trong thi gian hc tp, nghiên cu ti Vin Công ngh Thông tin và Truyi hc Bách khoa Hà N c kt qu c ht Tôi xin bày t lòng bi sc n thng dn GS.TS Nguyn Thúc Hng nghiên cng dn khoa hc, ch dn thc hin nghiên cu lun án ng gii quyt nhng v c th n lun án. Tôi xin trân trvin Công ngh Thông tin và Truyi hc Bách khoa Hà N tr và tu kin thun li cho tôi trong quá trình hc tp và nghiên cu. ng Công nghip Hu, cùng tp th cán b, ging viênng nghip tu kin, h tr  cho tôi tham gia công tác hc tp, nghiên cu và hoàn thành lun án. Xin trân trt c các nhà khoa hc, các chuyên gia c và góp ý hoàn thin cho lun án. Cui cùng, tôi xin bày t lòng bin b m, v và con tôi, cùng tt c nhng nghi ng h nhi u kin hoàn thành lun án này. Hà Nội, Tháng 03 năm 2015 Cung Trng ii LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu nâng cao hiệu năng giao thức định tuyến cho mạng MANETu ca riêng tôi. Các kt qu, s liu nêu trong lun án là trung thc, mt phc công b trên trên các tp chí khoa hc chuyên ngành, phn còn ltng c ai công b trong bt k công trình nào khác. Hà Nội, Ngày 29 tháng 03 năm 2015 Tp th ng dn Nghiên cu sinh GS.TS Nguyễn Thúc Hải Cung Trọng Cƣờng PGS.TS Võ Thanh Tú iii MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục các từ viết tắt Danh mục các hình vẽ Danh mục các bảng biểu MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG…………………. 8 1.1 Tổng quan về mạng không dây 8 1.2 Tổng quan về mạng MANET và ứng dụng 12 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng hiệu năng và phương pháp đánh giá hiệu năng mạng MANET 14 1.3.1 Các vấn đề định tuyến trong mạng MANET 14 1.3.2 Vấn đề sử dụng các thuật toán định tuyến trong mạng MANET 15 1.3.3 Các yếu tố cơ bản đánh giá hiệu năng mạng 17 1.3.4 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng 18 1.3.5 So sánh các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng và áp dụng cho mạng MANET 20 1.4 Công nghệ tác tử và ứng dụng cho mạng MANET 21 1.4.1 Giới thiệu 21 1.4.2 Mô hình của tác tử và ứng dụng cho mạng MANET 23 1.4.2.1 Mô hình hoạt động của tác tử và ứng dụng 23 1.4.2.2 Mô hình đề xuất sử dụng tác tử trong điều khiển định tuyến mạng MANET 24 1.5 Kết luận Chương 1 26 CHƯƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 27 2.1 Tổng quan về định tuyến trong mạng MANET 27 2.1.1 Các thuật toán định tuyến cơ bản 27 2.1.1.1 Thuật toán Véc tơ khoảng cách 27 2.1.1.2 Thuật toán Trạng thái liên kết 28 2.1.1.3 Định tuyến nguồn 29 2.1.2 Các kỹ thuật định tuyến cho mạng MANET 30 2.1.2.1 Giao thức định tuyến theo bản ghi 30 2.1.2.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu 33 iv 2.1.2.3 Giao thức định tuyến kết hợp 35 2.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu DSR và AODV 37 2.2.1 DSR 37 2.2.2 AODV 43 2.3 Nghiên cứu cải tiến định tuyến cho mạng MANET 47 2.3.1 Một số nghiên cứu về định tuyến cho mạng MANET 47 2.3.2 Nghiên cứu cải tiến giao thức định tuyến DSR và AODV 50 2.3.3 Một số nhận xét và đánh giá 52 2.3.4 Nội dung nghiên cứu của luận án 54 2.4 Kết luận Chương 2 54 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MANET SỬ DỤNG TÁC TỬ……. 56 3.1 Đánh giá giao thức định tuyến DSR và AODV 56 3.1.1 DSR 56 3.1.2 AODV 57 3.1.3 So sánh nguyên lý hoạt động của hai giao thức DSR và AODV 57 3.1.4 Đánh giá kết quả mô phỏng của giao thức DSR và AODV 58 3.1.4.1 Xây dựng kịch bản mô phỏng 58 3.1.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 59 3.2 Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu 64 3.2.1 Ý tưởng của giải pháp đề xuất 64 3.2.2 Mô hình tác tử trong đề xuất cải tiến 67 3.2.3 Thiết kế, cài đặt tác tử FA, BA trên OMNeT++ 68 3.3 Đề xuất các thuật toán cải tiến giao thức định tuyến DSR, AODV 70 3.3.1 Thuật toán MAR-DSR 70 3.3.1.1 Ý tưởng của thuật toán 70 3.3.1.2 Mô tả thuật toán 71 3.3.1.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả 75 3.3.2 Thuật toán MAR-AODV 79 3.3.2.1 Ý tưởng của thuật toán 79 3.3.2.2 Mô tả thuật toán 80 3.3.2.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả 84 3.3.3 Thuật toán MAR2-AODV 88 3.3.3.1 Mô tả thuật toán 88 3.3.3.2 Mô phỏng và đánh giá kết quả 91 3.4 Đánh giá kết quả của các thuật toán cải tiến cho giao thức DSR và AODV 100 v 3.4.1 Đánh giá MAR-AODV và MAR2-AODV 100 3.4.2 Đánh giá MAR-DSR và MAR-AODV 103 3.4.3 Đánh giá MAR-DSR, MAR-AODV và MAR2-AODV 105 3.5 Đề xuất áp dụng của các thuật toán cải tiến 107 3.6 Kết luận Chương 3 108 KẾT LUẬN VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN ÁN 110 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1 3G Third Generation Mng ng th h th 3 2 4G LTE Fourth Generation Long-Term Evolution Mng ng th h th 4 3 ACK Acknowledgement Xác nhn 4 AODV Ad hoc On demand Distance vector Giao th nh tuy   khong cách theo yêu cu trong mng Ad hoc 5 AOZDV Ad hoc On demand Zone Distance vector Giao th nh tuy   khong cách theo yêu cu s dng nh tuyn vùng trong mng Ad hoc 6 AP Access Point m truy cp 7 ARPM Agent-based Routing Protocol Giao thnh tuyn s dng tác t 8 BA Back Agent Tác t phn hi 9 BS Base Station Trm gc 10 CBR Constant Bit Rate ng t bit nh 11 CLR Clear Packet nh tuyn 12 CP Congestion Probability Xác sut tc nghn 13 CPU Central Processing Unit  x lý trung tâm 14 CS Congestion State Tình trng tc nghn 15 DAG Directed Acyclic Graph  th ng 16 DoS Denial-of-service T chi dch v 17 DRP Dynamic Routing Protocol Giao thnh tuyng 18 DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector Giao th nh tuy   khong cách theo th t  19 DSN Destination Sequence Number S th t  20 DSR Dynamic Source Routing Giao thnh tuyn ngung 21 DVT Destination-Vector Table B 22 EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Công ngh truyn d liu GSM nâng cao 23 FA Forward Agent Tác t chuyn tip 24 GPS Global Positioning System H thnh v toàn cu 25 GSM Global System for Mobile Communications H th    ng toàn cu 26 HSPA High-Speed Downlink Packet Access Công ngh truy nh  ng xung t cao, 27 ID Identify nh danh 28 IEEE Institude of Electrical and Vin K thun t vii Electronics Engineers 29 IP Internet Protocol Giao thc Internet 30 IrDA Infrared Data Association Hip hi D liu hng ngoi 31 ISP Internet Service Provider Nhà cung cp dch v Internet 32 Kbps Kilo bits per second Ki lô bit trên giây 33 LAN Local Area Network Mng cc b 34 LAR Location Aided Routing nh tuyc h tr v trí 35 LSA Link State Advertisment Qung bá trng thái liên kt 36 LSDB Link State Database  d liu trng thái liên kt 37 MAC Medium Access Control u khin truy nhp lp trung gian 38 MANET Mobile Ad hoc Network Mng tùy bin không dây 39 MAR-AODV Mobile Agent Routing  AODV Giao thc ci tin MAR-AODV 40 MAR2-AODV Mobile Agent Routing 2  AODV Giao thc ci tin MAR2-AODV 41 MAR-DSR Mobile Agent Routing  DSR Giao thc ci tin MAR-DSR 42 Mbps Mega bits per second Mê ga bit trên giây 43 MPR Multi Point Relays Các chuyn tim 44 NC Node Congestion Tc nghn nút 45 NE Node Energy ng nút 46 NFC Near Field Communication Công ngh giao tip tm ngn 47 NSV Node Status Value Giá tr tình trng nút 48 OLSR Optimized Link State Routing Giao th nh tuyn trng thái liên kt t 49 PDA Personal Digital Accessory Thit b n t cá nhân 50 RERR Route Error Gói tin li l trình 51 RREP Route Reply Gói tin tr li l trình 52 RREQ Route Request Gói tin yêu cu l trình 53 SP Status Probability Tình trng xác sut 54 TC Topology Control u khin tô pô mng 55 TtM Time-to-Migrate Th  di trú (chuyn sang nút khác) 56 TORA Temporally Ordered Routing Algorithm Giao th nh tuyn dùng gii thut Yêu cu tm thi 57 TTL Time To Live Thi gian sng 58 UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems H thng       59 VPN Viture Private Network Mng riêng o 60 WIFI Wireless Fidelity H thng mng không dây s dng sóng vô tuyn 61 WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access H thng m    thông rng khong cách ln 62 WLAN Wireless Local Area Network Mng cc b không dây 63 WPAN Wireless Personal Area Network Mng cá nhân không dây [...]... tuy nhiên các giao thức định tuyến này có một số hạn chế trong một số trường hợp như mật độ lưu lượng lớn, tốc độ di chuyển giữa các nút không ổn định Do đó việc nghiên cứu cải tiến giao thức định tuyến để nâng cao hiệu quả truyền tin là rất có ý nghĩa đối với mạng MANET 1 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc, ngoài nƣớc và đặt vấn đề nghiên cứu Việc nghiên cứu các giao thức định tuyến cho mạng MANET đã được... nghiên cứu mà luận án thực hiện Chương 2 tập trung vào định tuyến trong mạng MANET, trong đó trình bày, so sánh, đánh giá các giao thức định tuyến cho mạng MANET, tập trung vào các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu, nghiên cứu chi tiết hai giao thức DSR và AODV, phân tích các đặc tính của các giao thức để đưa ra ưu nhược điểm của các giao thức này, tổng hợp tình hình nghiên cứu liên quan về định. .. trung vào nghiên cứu để cải tiến, đưa ra mô hình, cơ chế hiệu quả dựa trên các giao thức chuẩn để nâng cao hiệu quả của định tuyến và hiệu năng mạng 1.3.2 Vấn đề sử dụng các thuật toán định tuyến trong mạng MANET Với những đặc điểm nổi bật của mạng MANET là tỷ lệ lỗi gói tin cao, băng thông thấp, tô pô mạng động, do đó khi xem xét áp dụng các thuật toán định tuyến như đã sử dụng cho các giao thức mạng với... Phạm vi nghiên cứu của luận án Vấn đề nghiên cứu về giao thức định tuyến trong mạng không dây nói chung là vấn đề rộng và phức tạp, do đó phạm vi nghiên cứu của luận án chỉ tập trung vào các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu DSR, AODV của mạng MANET Các đề xuất được tập trung vào hai giao thức này và các cải tiến liên quan đến giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu cho mạng MANET 4... đề nghiên cứu của luận án, trong đó nêu ra các nội dung chính sẽ được nghiên cứu, trình bày tổng quan về mạng MANET, các vấn đề liên quan đến đánh giá hiệu năng mạng và phân tích về các vấn đề ảnh hưởng đến hiệu năng trong đó tập trung vào giao thức định tuyến trong mạng MANET; giới thiệu công nghệ tác tử và ứng dụng trong điều khiển giao thức định tuyến trong mạng MANET, trình bày các nội dung nghiên. .. toán định tuyến bản ghi, định tuyến điều khiển theo yêu cầu Một số nhóm trong nước đang nghiên cứu về mạng MANET như đánh giá dung lượng truyền của mạng MANET trong đó đưa ra thuật toán tính toán gần đúng tính dung lượng truyền tối đa của nút mạng MANET [66], một số đánh giá về ảnh hưởng việc di chuyển nút mạng trong giao thức định tuyến MANET, chi phí tìm đường đi của các giao thức định tuyến Một số nghiên. .. nghiên cứu về hiệu quả của phân cụm trong mạng MANET sử dụng giao thức DSR, AODV [3] Các hướng nghiên cứu trên thế giới đã đề xuất các giải pháp cải tiến giao thức điều khiển theo yêu cầu, giao thức định tuyến bản ghi, giao thức định tuyến kết hợp, trong đó tập trung giải quyết các vấn đề cơ bản sau: Vấn đề thứ nhất là chọn đường đi tối ưu để tăng hiệu quả định tuyến: các công trình nghiên cứu [50][51]... định tuyến trong mạng MANET trong và ngoài nước để đưa ra nhận xét, đánh giá, định hướng và xác định nội dung nghiên cứu, đề xuất các cải tiến của giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu trong mạng MANET Chương 3 tập trung trình bày nội dung chính của luận án, đề xuất cải tiến giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu trong mạng MANET Trong đó phân tích các ưu nhược điểm, đánh giá hai giao thức. .. nhiều nghiên cứu đang thực hiện trên nhiều hướng khác nhau để cải tiến cho những mô hình, trường hợp khác nhau đối với mạng MANET và đây cũng là vấn đề mà nghiên cứu sinh (tác giả) tập trung nghiên cứu Do đó những vấn đề nghiên cứu cải tiến để hiệu quả hơn, cải thiện hơn các giao thức định tuyến của mạng MANET là 4 hướng nghiên cứu còn mở, có nghĩa thực tiễn và được tập trung sự quan tâm của các nhóm nghiên. .. lập những cụm mạng nhỏ: Nếu giao thức định tuyến có thể xác định được các nút mạng láng giềng và thiết lập chúng thành một cụm mạng nhỏ thì sẽ hiệu quả trong định tuyến, trong trường hợp các nút mạng di chuyển nhanh và thay đổi khi đó việc định tuyến chọn các nút khó khăn vì phải liên tục cập nhật lại đường đi thì định tuyến cho các cụm mạng sẽ tốt hơn vì chỉ xác định nút đại diện cho cụm mạng, đến lượt