NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC

Bằng những kiểm chứng thông qua mô phỏng, tiểu luận đưa ra các nhận xét, đánh giá về hiệu suất mạng đối với từng giao thức định tuyến cụ thể khi các nút mạng chuyển động với tốc độ và h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-o0o - TIỂU LUẬN MÔN ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG

Đề tài:

NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC.

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS VÕ THANH TÚ

Huế, tháng 01/2013

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

NỘI DUNG 5

I.GIỚI THIỆU 5

II KHÁI QUÁT VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET: OLSR, AODV VÀ TORA 6

1.OLSR (Optimized Link State Routing Protocol): 6

2.AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector): 7

3.TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm): 10

III NGHIÊN CỨU & SO SÁNH GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AD HOC .13

KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự bùng nổ, phát triển mạnh mẽ của Internet và các thiết

bị di động cá nhân như: laptop, smartphone, tablet,…, thì nhu cầu kết nối giữa các thiết bị này cũng ngày càng đòi hỏi cao hơn về tốc độ và khả năng di chuyển trong khi kết nối Công nghệ mạng máy tính và truyền thông đang ngày càng phát triển, đặc biệt là các công nghệ truyền thông không dây đã được triển khai ứng dụng trong

hầu hết các lĩnh vực Mạng di động đặc biệt – MANET (Mobile Ad-hoc Network)

là một trong những công nghệ vượt trội đáp ứng nhu cầu kết nối đó nhờ khả năng hoạt động không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định, với chi phí hoạt động thấp, triển khai nhanh và có tính di động cao Tuy nhiên, hiện nay mạng MANET vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi và đang được thúc đẩy nghiên cứu nhằm cải tiến hơn nữa các giao thức định tuyến để mạng đạt được hiệu quả hoạt động tốt hơn

Qua quá trình học môn Đánh giá hiệu năng mạng cũng như tìm hiểu về mạng MANET qua các bài báo và đặc biệt là bài báo A Study and Comparison of

OLSR, AODV and TORA Routing Protocols in Ad Hoc Networks của các tác giả

P.Kuppusamy, Dr.K.Thirunavukkarasu, Dr.B.Kalaavathi Dựa vào bài báo trên bản

thân em chọn đề tài Nghiên cứu và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng

Ad Hoc Bằng những kiểm chứng thông qua mô phỏng, tiểu luận đưa ra các nhận

xét, đánh giá về hiệu suất mạng đối với từng giao thức định tuyến cụ thể khi các nút mạng chuyển động với tốc độ và hướng đi thay đổi

Nội dung của tiểu luận gồm các phần sau:

 Giới thiệu về mạng MANET

 Khái quát về các giao thức định tuyến OLSR, AODV và TORA

 Nghiên cứu và so sánh giao thức định tuyến Ad-Hoc

 Kết luận

Tuy đã rất cố gắng song bài viết không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các anh chị học viên lớp cao học Khoa học máy tính để bài viết được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cám ơn

NỘI DUNG

I GIỚI THIỆU

Mạng di động đặc biệt (Mobile Adhoc Netwowk) là mạng tự cấu hình của các nút

di động kết nối với nhau thông qua các liên kết không dây tạo nên mạng độc lập không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng Các thiết bị trong mạng có thể di chuyển một cách tự

do theo mọi hướng, do đó liên kết của nó với các thiết bị khác cũng thay đổi một cách thường xuyên

Trong MANET tập hợp các nút di động không dây kết nối với nhau để tạo thành mạng lưới tạm thời, trong đó các nút giao tiếp với nhau mà không có điều khiển tập trung Các nút được tự do chuyển động ngẫu nhiên và tự tổ chức tùy ý Do đó topo mạng có thể

thay đổi nhanh chóng và dự đoán được Các nút trong phạm vi radio của nhau có thể giao

tiếp trực tiếp, trong khi các nút từ xa dựa trên các nút lân cận của nó để chuyển tiếp các

gói tin như một router Định tuyến là một vấn đề cốt lõi trong các mạng để gửi dữ liệu từ

một nút khác Giao thức định tuyến hoạt động tốt trong các mạng có dây không hiển thị

cùng một hiệu suất trong mạng di động ad hoc do sự thay đổi nhanh chóng của cấu trúc

liên kết MANET bao gồm nhiều thách thức và các vấn đề như topo động, tần suất cập nhật, năng lượng, tốc độ, định tuyến và bảo mật Các giao thức định tuyến được yêu cầu bất cứ khi nào nguồn cần để truyền tải và cung cấp các gói tin đến đích Nhiều giao thức

định tuyến đã được đề xuất cho mạng di động ad hoc và được phân loại như là proactive hoặc Table Driven routing Protocol, reactive hoặc On Demand Routing Protocol

Trong các giao thức proactive, mỗi nút duy trì bảng định tuyến riêng biệt chứa

thông tin định tuyến cho tất cả các nút trong mạng Mỗi nút duy trì nhất quán thông tin định tuyến up-to-date hiện tại bằng cách gửi thông điệp điều khiển định kỳ giữa các nút

mà cập nhật các bảng định tuyến của chúng Các giao thức định tuyến proactive sử dụng các thuật toán định tuyến link-state, thường xuyên flood các thông tin liên kết về các láng giềng của nó Hạn chế của giao thức định tuyến proactive là tất cả các nút trong mạng luôn luôn duy trì một bảng cập nhật Một số giao thức định tuyến proactive hiện có là DSDV

và OLSR

Trong các giao thức định tuyến reactive, khi một nguồn muốn gửi gói tin đến một

đích, nó gọi cơ chế phát hiện tuyến để tìm ra đường đi đến đích Tuyến này vẫn còn giá trị cho đến đích có thể truy cập hoặc cho đến khi tuyến này không còn cần thiết Không giống như các giao thức hướng bảng, tất cả các nút không cần phải duy trì thông tin định tuyến

up-to-date Một số được sử dụng trên các giao thức định tuyến theo yêu cầu là DSR và

AODV

Giao thức định tuyến lai kết hợp những ưu điểm của giao thức định tuyến

proactive và reactive Định tuyến được thiết lập khởi tạo với một số tuyến proactive thăm

dò và sau đó phục vụ nhu cầu từ các nút bổ sung kích hoạt thông qua reactive Một số các

giao thức định tuyến lai hiện có là ZRP và TORA

II KHÁI QUÁT VỀ CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET: OLSR, AODV VÀ TORA

1 OLSR (Optimized Link State Routing Protocol):

OLSR là giao thức định tuyến chủ động dựa trên thuật toán trạng thái kết nối (Link state) Các nút gửi định kỳ ra toàn mạng thông điệp “Hello” để trao đổi thông tin về láng giềng Thông tin này bao gồm IP của nút, số thứ tự và danh sách các thông tin khoảng cách của các nút láng giềng Sau khi cập nhật những thông tin này nút sẽ xây dựng lên bảng định tuyến của nó và có cái nhìn tổng thể về toàn mạng Dựa vào bảng định tuyến này nó có thể tự tính được đường đi tới các nút khác dựa vào thuật toán tìm đường đi ngắn nhất Khi một nút nhận được một gói tin trùng lặp với cùng số thứ tự nó sẽ loại bỏ gói tin này Trong bảng định tuyến nút lưu trữ thông tin định tuyến tới tất cả các nút khác trong mạng Những thông tin này chỉ được cập nhật khi:

 Khi nút nhận thấy sự thay đổi trong quan hệ láng giềng (vd: mất liên kết đến nút láng giềng,…)

 Tuyến đường tới các nút đích khác hết hạn (quá lâu không được cập nhập)

 Phát hiện ra đường đi mới ngắn hơn để tới đích

Điểm khác biệt giữa OLSR và LSR (Link State Protocol) là việc giao thức OLSR hoạt động dựa trên việc một nhóm nút mạng cộng tác với nhau tạo nên một

kíp phát chuyển tiếp đa điểm (Multi-Point Relays - MPR) Mỗi nút N trong mạng sẽ

lựa chọn ra một tập các nút láng giềng của nó vào kíp đa điểm MPR(N), các nút thuộc kíp đa điểm này sẽ chuyển tiếp các gói tin điều khiển được gửi từ N Nút không thuộc kíp đa điểm của N vẫn xử lý gói tin này nhưng sẽ không chuyển tiếp đến các nút khác

Hình1: Truyền gói tin dùng độ trễ đa điểm MPR

a Ưu điểm:

OLSR cũng là một giao thức định tuyến phẳng và nó không cần hệ thống quản trị trung tâm để xử lý các quá trình định tuyến Liên kết là đáng tin cậy cho các thông điệp điều khiển, từ khi thông điệp được gửi định kỳ và việc cung cấp không phải là tuần tự

OLSR là phù hợp tốt nhất cho mạng mật độ cao và không cho phép trì hoãn lâu dài trong việc truyền tải các gói dữ liệu

b Hạn chế:

Một hạn chế của giao thức OLSR là cần mỗi nút định kỳ gửi thông tin topology được cập nhật trong toàn bộ mạng, tăng băng thông sử dụng giao thức này Tuy nhiên, flooding được giảm thiểu bằng cách của MPR, chỉ được phép để chuyển tiếp các thông điệp topo

Hình 2: OLSR ngăn chặn vòng lặp bằng việc sử dụng MPR để chuyển phát gói

tin

2 AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector):

AODV là một nâng cao của thuật toán giao thức định tuyến Destination-Sequenced Distance-Vector (DSDV), trong đó có các đặc điểm của DSDV và DSR AODV là giao thức dựa trên thuật toán vector khoảng cách AODV tối thiểu hoá số bản tin quảng bá cần thiết bằng cách tạo ra các tuyến trên cơ sở theo yêu cầu, ngược với việc duy trì một danh sách hoàn chỉnh các tuyến như thuật toán DSDV

Khi một nút nguồn muốn gởi một bản tin đến một nút đích nào đó và không biết rằng đã có một tuyến đúng đến đích đó, nó phải khởi đầu một quá trình khám phá đường truyền Nó phát quảng bá một gói yêu cầu tuyến (RREQ) đến các nút lân cận Các nút lân cận này sau đó sẽ chuyển tiếp gói yêu cầu đến nút lân cận khác của chúng Quá trình cứ tiếp tục như vậy cho đến khi có một nút trung gian nào đó xác định được một tuyến “đủ tươi” để đạt đến đích AODV sử dụng số thứ tự đích để đảm bảo rằng tất cả các tuyến không lặp và chứa hầu hết thông tin tuyến hiện tại Mỗi nút duy trì số tuần tự của nó cùng với một ID quảng bá ID quảng bá được tăng lên mỗi khi nút khởi đầu một RREQ, và cùng với địa chỉ IP của nút, xác định duy nhất một RREQ Cùng với số tuần tự và ID quảng bá, nút nguồn bao gồm trong RREQ hầu hết số tuần tự hiện tại của đích mà nó có Các nút trung gian có thể trả lời RREQ chỉ khi nào chúng có một tuyến đến đích mà số tuần tự đích tương ứng lớn hơn hoặc bằng số tuần tự chứa trong RREQ

Trong suốt quá trình chuyển tiếp RREQ, các nút trung gian ghi vào Bảng định tuyến của chúng địa chỉ của các nút lân cận từ khi nhận được bản sao đầu tiên của gói quảng bá, theo đó thiết lập được một đường dẫn theo thời gian Nếu các bản sao của cùng một RREQ được nhận sau đó, các gói này sẽ bị huỷ bỏ Một khi RREQ đã đạt đến đích hay một nút trung gian với tuyến “đủ tươi”, nút đích (hoặc nút trung gian) đáp ứng lại bằng cách phát đơn phương một gói đáp ứng tuyến (RREP) ngược về nút lân cận mà từ đó

nó thu được RREQ Khi RREP được định tuyến ngược theo đường dẫn, các nút trên đường dẫn đó thiết lập các thực thể tuyến chuyển tiếp trong Bảng định tuyến của chỉ nút

mà nó nhận được RREP Các thực thể tuyến chuyển tiếp này chỉ thị tuyến chuyển tiếp tích cực Cùng với mỗi thực thể tuyến là một bộ định thời tuyến có nhiệm vụ xoá các thực thể nếu nó không được sử dụng trong một thời hạn xác định Do một RREP chuyển tiếp trên đường dẫn được thiết lập bởi một RREQ nên AODV chỉ hỗ trợ việc sử dụng đường truyền đối xứng

Quá trình định tuyến của AODV cũng bao gồm 2 cơ chế chính: cơ chế tạo thông tin định tuyến và cơ chế duy trì thông tin định tuyến

- Cơ chế tạo thông tin định tuyến sẽ được thiết lập khi một nút nguồn có nhu cầu trao đổi thông tin với một nút khác trong hệ thống mạng MANET, mỗi nút trong hệ thống mạng luôn duy trì 2 bộ đếm: Bộ đếm Sequence Number và Bộ đếm REQ_ID Cặp thông tin <Sequence Number, REQ_ID> là định danh duy nhất cho một gói tin RREQ

- Cơ chế duy trì thông tin định tuyến: Cơ chế hoạt động của AODV là không cần phải biết thông tin về các nút láng giềng, chỉ cần dựa vào các entry trong bảng định tuyến

Vì vậy, khi một node nhận thấy rằng Next hop (chặng kế tiếp) của nó không thể tìm thấy, thì nó sẽ phát một gói RRER (Route Error) khẩn cấp với số Sequence number bằng số Sequence number trước đó cộng thêm 1, Hop count bằng ∞ và gởi đến tất cả các node láng giềng đang ở trạng thái active, những node đó sẽ tiếp tục chuyển gói tin đó đến các node láng giềng của nó, và cứ như vậy cho đến khi tất cả các node trong mạng ở trạng thái active nhận được gói tin này

Sau khi nhận thông báo này, các node sẽ xóa tất cả các đường đi có chứa node hỏng, đồng thời có thể sẽ khởi động lại tiến trình Route discovery nếu nó có nhu cầu định tuyến dữ liệu đến node bị hỏng đó, bằng cách gởi một gói tin RREQ (với số Sequence number bằng số Sequence number mà nó biết trước đó cộng thêm 1) đến các node láng giềng để tìm đến địa chỉ đích

a Ưu điểm:

AODV có lợi thế lớn trong việc có phí ít hơn so với các giao thức chủ động và nó cũng hỗ trợ truyền gói tin unicast và multicast ngay cả đối với các nút trong chuyển động liên tục AODV phản ứng nhanh chóng với những thay đổi topo trong mạng và cập nhật chỉ có các nút mà có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi, bằng cách sử dụng thông điệp RRER Các thông điệp Hello, đó là chịu trách nhiệm cho việc duy trì tuyến, ngoài ra cũng

bị hạn chế; vì vậy mà nó không tạo ra chi phí không cần thiết trong mạng

b Hạn chế:

Những hạn chế của giao thức AODV là tất cả các nút trong broadcast medium có thể phát hiện các broadcast của nhau Nó cũng có thể là một tuyến hợp lệ là hết thời hạn

và việc xác định một thời gian hết thời hạn hợp lý là khó khăn Ngoài ra, như kích cỡ của mạng tăng, độ đo hiệu năng khác nhau bắt đầu giảm Một tuyến được phát hiện với AODV có thể không còn các tuyến tối ưu tiếp theo Tình trạng này có thể phát sinh do tắc nghẽn mạng hoặc các đặc điểm dao động của các liên kết không dây

3 TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm):

TORA là một thuật toán định tuyến phân bố không có vòng lặp và độ thích nghi cao, dựa trên khái niệm đảo ngược đường thông TORA được đề xuất cho môi trường nối mạng có tính linh động cao Nó là một giao thức khởi phát từ nguồn và cung cấp đa tuyến cho mọi cặp nút nguồn/đích cần thiết Nguyên lý chủ đạo trong TORA là định vị các bản tin điều khiển đối với mọi tập hợp các nút gần với nơi xảy ra sự thay đổi topo mạng Để thực hiện được điều này, các nút cần duy trì thông tin định tuyến về các nút kế cận (chỉ một chặng) Giao thức này thực hiện 3 chức năng cơ bản:

+ Tạo các tuyến từ nguồn tới đích,

+ Duy trì các tuyến và

+ Xoá các tuyến không hợp lệ

Ban đầu để tạo ra một tuyến, nút phát đi một gói QUERY các nút láng giềng Truy vấn này được phát lại thông qua mạng cho đến khi nó đạt đến đích hoặc nút trung gian mà

nó có một tuyến đến đích Nơi nhận các gói tin QUERY sau đó phát đi các gói tin UPDATE, trong đó liệt kê chiều cao của nó đến đích Khi gói tin này lan truyền trong mạng, mỗi nút nhận được các gói tin UPDATE thiết lập chiều cao của nó đến một giá trị lớn hơn chiều cao của láng giềng mà từ đó UPDATE nhận được Này có tác dụng tạo ra một loạt các liên kết trực tiếp từ người gửi ban đầu của gói QUERY đến nút mà ban đầu tạo ra các gói tin UPDATE Khi một nút phát hiện ra rằng các tuyến đến một đích đến không còn giá trị, nó sẽ điều chỉnh chiều cao của nó để nó sẽ là một cực đại địa phương đối với các nút láng giềng và sau đó truyền một gói tin UPDATE Nếu node không có láng giềng với chiều cao hữu hạn liên quan đến đích, sau đó các nút sẽ cố gắng phát hiện ra một tuyến mới

Quá trình tạo tuyến với TORA được mô phỏng như hình sau:

Hình 3: Quá trình tạo tuyến với TORA

Như thể hiện trong Hình 3, nút 6 không truyền QUERY từ nút 5 là nó đã nhìn thấy

và truyền thông điệp QUERY từ nút 4 và nguồn có thể nhận được một UPDATE từ nút 2,

nó vẫn giữ chiều cao đó Khi một nút phát hiện một phân vùng mạng, nó sẽ tạo ra một gói CLEAR rằng kết quả trong thiết lập lại định tuyến qua mạng ad hoc Việc thành lập của tuyến đường này được dựa trên cơ chế DAG đảm bảo rằng tất cả các đường là rỗi Các gói tin di chuyển từ nút nguồn có chiều cao nhất đến nút đích với chiều cao thấp nhất như phương pháp tiếp cận từ trên xuống

Trong TORA có một sự biến động tiềm tàng xảy ra, đặc biệt khi nhiều tập hợp các nút đang liên kết là phần hiện đang bị xoá, các tuyến đang xoá, và các tuyến đang xây dựng mới Do TORA sử dụng toà độ liên nút nên bài toán bất cân bằng của nó tương tự như bài toán tính đến vô cùng trong các giao thức định tuyến theo vector cự ly, ngoại trừ các biến động là tạm thời và sự hội tụ tuyến cuối cùng vẫn đạt được