Đánh giá hiệu suất bằng mô phỏng các thuật toán định tuyến trong mạng đặc biệt di động manet

Từ đó, có thể nhận thấy một số đặc điểm nổi bật của mạng MANET có ảnh hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng [24]: • Cấu hình mạng động: Do sự di chuyển của các nút

NGUYỄN MINH NGUYỆT

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT BẰNG MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG MANET

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2005

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN MINH NGUYỆT

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT BẰNG MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG ĐẶC BIỆT DI ĐỘNG MANET

Ngành: Công nghệ thông tin

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG 7

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

LỜI CÁM ƠN 9

MỞ ĐẦU 10

Chương 1: GIỚI THIỆU 12

1.1 Mạng đặc biệt di động MANET 12

1.1.1 Sự phát triển của mạng 13

1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng 15

1.1.3 Các đặc điểm mạng 16

1.2 Vấn đề định tuyến 17

1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống 18

1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET 19

Chương 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET 21

2.1 Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET 21

2.1.1 Định tuyến Link State và Distance Vector 21

2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng 21

2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện 22

2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp 22

2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán 23

2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng 23

2.1.7 Đơn đường và đa đường 23

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET 24

2.2.1 Giao thức DSDV (Destination-Sequence Distance Vector) 24

2.2.2 Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing Protocol) 25

2.2.3 Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) 26

2.2.4 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing) 27

2.2.5 Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) 28

2.2.6 So sánh các giao thức 30

Chương 3: CÁC MẠNG MANET MÔ PHỎNG 34

3.1 Mô hình các mạng MANET 34

3.2 Bộ mô phỏng NS2 35

3.3 Thiết lập mạng MANET mô phỏng trong NS2 37

3.3.1 Mô phỏng mạng không dây di động 37

3.3.1.1 Nút di động mô phỏng 37

3.3.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ 38

4.3.1.3 Hoạt động của nút di động 39

3.3.2 Tạo ngữ cảnh 40

3.3.2.1 Các mô hình di chuyển 40

3.3.2.2 Các mô hình thông lượng 44

3.4 Tổng quan quá trình mô phỏng 45

3.5 Mô phỏng các giao thức định tuyến 46

3.5.1 DSDV 46

3.5.2 AODV 47

3.5.3 DSR 48

3.5.4 TORA 48

3.5.5 OLSR 49

Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT CÁC GIAO THỨC 51

4.1 Các tham số của môi trường 51

4.2 Các độ đo hiệu suất 52

4.3 Các thí nghiệm mô phỏng 53

4.3.1 Thí nghiệm 1: Sử dụng mô hình Random Waypoint 54

4.3.2 Thí nghiệm 2: Sử dụng mô hình Random Walk 61

4.3.3 Thí nghiệm 3: Sử dụng mô hình Random Direction 65

4.4 Nhận xét về hiệu suất của các giao thức 69

KẾT LUẬN 72

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Mạng MANET 12

Hình 2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng 14

Hình 3: Mạng WPAN với các kết nối Internet 16

Hình 4: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET 24

Hình 5: Định tuyến trạng thái liên kết và định tuyến cải tiến trong OLSR 26

Hình 6: Sự hình thành đường trong giao thức TORA 29

Hình 7: Nút di động mô phỏng trong NS2 37

Hình 8: Mô hình phương tiện chia sẻ trong NS2 39

Hình 9: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Waypoint 41

Hình 10: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Walk 43

Hình 11: Di chuyển của một nút theo mô hình Random Direction 44

Hình 12: Các mô hình thông lượng trong NS2 44

Hình 13: Tổng quan quá trình mô phỏng 45

Hình 14: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Waypoint 56

Hình 15: So sánh trễ đầu cuối trung bình trong mô hình Random Waypoint 59

Hình 16: So sánh tải định tuyến chuẩn hoá trong mô hình Random Waypoint 61

Hình 17: So sánh kết qủa phân phát gói tin trong mô hình Random Walk 63

Hình 18: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Walk 64

Hình 19: So sánh tải định tuyến chuẩn hoá trong mô hình Random Walk 65

Hình 20: So sánh kết quả phân phát gói tin trong mô hình Random Direction 67

Hình 21: So sánh thời gian trễ trung bình trong mô hình Random Direction 67

Hình 22: So sánh tải định tuyến chuẩn hóa trong mô hình Random Direction 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: So sánh độ phức tạp của các giao thức 30

Bảng 2: So sánh giữa các giao thức 32

Bảng 3: So sánh giữa các giao thức (tiếp) 33

Bảng 4: Các tham số của mô hình Random Waypoint 41

Bảng 5: Các tham số của mô hình Random Walk 42

Bảng 6 Các tham số của mô hình Random Direction 43

Bảng 7: Các tham số hoạt động của DSDV trong NS2 47

Bảng 8: Các tham số hoạt động của AODV trong NS2 47

Bảng 9: Các tham số hoạt động của DSR trong NS2 48

Bảng 10: Các tham số hoạt động của TORA trong NS2 49

Bảng 11: Các tham số hoạt động của OLSR trong mô phỏng 50

Bảng 12: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Waypoint 55

Bảng 13: Tải định tuyến chuẩn hoá của TORA trong mô hình Random Waypoint.61 Bảng 14: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Walk 63

Bảng 15: Cấu hình các mạng mô phỏng theo mô hình Random Direction 66

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Distance Vector

CSMA/CA Carrier Sense Multiple

Access with Collision Avoidance

Research Projects Agency

Assistant

Protocol

TORA Temporally-Ordered

Routing Algorithm

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS Nguyễn Đình Việt đã hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình tôi thực hiện nghiên cứu này Tôi xin cám ơn sự giúp đỡ của TS Tracy Camp (Colorado School of Mines, Golden, CO) [28] trong việc cung cấp cho tôi các mô hình di chuyển của các nút trong mô phỏng mạng MANET Tôi xin cám ơn người bạn trong nhóm nghiên cứu Nguyễn Mạnh

Hà với những chia sẻ trong kinh nghiệm lập mô phỏng mạng và xây dựng các script tính toán Tôi xin cám ơn PGS TS Hồ Sĩ Đàm và Bộ môn Mạng và Truyền thông máy tính đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất giúp tôi có thể hoàn thành tốt nhất các nghiên cứu của luận văn Cuối cùng, tôi xin được cám ơn tới gia đình, bạn bè, những người thân yêu nhất của tôi Họ là nguồn cổ vũ và động viên lớn lao đối với tôi trong cuộc sống cũng như học tập và nghiên cứu

Hà Nội, tháng 12/ 2005

Nguyễn Minh Nguyệt

MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng không dây, di động là lĩnh vực đang được rất nhiều nhà chuyên môn quan tâm nghiên cứu, phát triển do những nhu cầu ngày càng cao về truyền thông và tính toán khắp mọi nơi Những mô hình, kiến trúc hoạt động mới đang được đề xuất nhằm đạt tới sự giải phóng hoàn toàn khỏi cơ sở hạ tầng mạng cố định Một trong những khuynh hướng mới là mạng MANET (Mobile Ad hoc NETwork) Đây là mạng kết nối các thiết bị tính toán di động như các máy tính laptop, PDA hay điện thoại cầm tay ở trong cùng một khu vực không cần tới các cơ

sở hạ tầng mạng cố định hay đơn vị quản trị trung tâm hỗ trợ [20]

Đặc trưng của truyền thông trong mạng MANET là đa chặng, giữa nút nguồn

và nút đích có thể đi qua nhiều nút trung gian Một cấu hình mạng tế bào chuẩn định tuyến mỗi gói tin chỉ thông qua một chặng từ trạm cơ sở tới nút di động Tuy nhiên, trong mạng MANET các gói tin có thể được định tuyến thông qua nhiều chặng Bên cạnh đó, mạng MANET có cấu hình động do sự di chuyển của các nút, băng thông của liên kết không dây hạn chế và có thể biến đổi, khả năng tính toán, dung lượng

bộ nhớ giới hạn của các nút di động Do vậy, để có thể triển khai mở rộng các mạng MANET trong thực tế, một thách thức là việc phát triển các giao thức định tuyến làm việc hiệu quả trong môi trường đặc biệt này Hướng tới mục tiêu đó, nhiều giao thức với các tiếp cận thiết kế khác nhau đã được đưa ra

Mục đích của bản luận văn này là nghiên cứu các giải pháp định tuyến cho mạng MANET và đánh giá hiệu suất làm việc của chúng về lý thuyết và thông qua công cụ mô phỏng mạng Các nội dung nghiên cứu cụ thể bao gồm:

• Nghiên cứu môi trường làm việc và các đặc điểm của mạng

• Xem xét bài toán định tuyến trong mạng và các giải pháp có thể

• Phân loại các giao thức định tuyến

• Phân tích và so sánh các giao thức trên cơ sở lý thuyết về độ phức tạp và các đặc tính hoạt động

• Xây dựng môi trường mô phỏng và tích hợp một số giao thức định tuyến cho mạng MANET trong bộ mô phỏng mạng NS2

• Đánh giá các giao thức định tuyến trong các ngữ cảnh với các tham số khác nhau có ảnh hưởng nhất tới hiệu suất của các giải thuật định tuyến như kích thước mạng, tải mạng, tốc độ thay đổi hình trạng mạng và mô hình di chuyển

Bố cục của luận văn bao gồm bốn chương chính ngoài chương giới thiệu và kết luận:

Chương 1: Giới thiệu về mạng MANET và bài toán định tuyến trong mạng

Chương 2: Trình bày về các giao thức định tuyến trong mạng MANET, phân loại về các giao thức, mô tả chi tiết về một số giao thức tiêu biểu và so sánh giữa các giao thức

Chương 3: Trình bày về việc mô phỏng mạng MANET bằng bộ mô phỏng NS2 Chương 4: Nghiên cứu đánh giá hiệu suất các giao thức định tuyến với các độ đo hiệu suất cụ thể để so sánh các giao thức trong các điều kiện mạng thay đổi

Hình 1: Mạng MANET

Các mạng MANET có độ linh động cao với khả năng hoạt động độc lập với cơ

sở hạ tầng mạng cố định [14]:

• Triển khai nhanh khi có yêu cầu

• Tin cậy và mạnh mẽ do hoạt động phân tán và có khả năng tự động cấu hình lại mạng khi có các thay đổi liên kết

• Kết nối không giới hạn

Đích Nguồn

• Chi phí triển khai và hoạt động thấp

Ngoài ra, các mạng MANET có ý nghĩa đặc biệt trong quận sự, trong các trường hợp tìm kiếm và cứu hộ khẩn cấp và trong việc xây dựng các mạng cảm biến

ở các khu vực con người không thể truy cập được

1.1.1 Sự phát triển của mạng

Hỗ trợ đầu tiên cho sự phát triển của mạng MANET là việc triển khai mạng ALOHA năm 1968 [20] Mục tiêu của mạng này là kết nối các cơ sở giáo dục ở Hawaii Mặc dù các trạm làm việc là cố định, giao thức ALOHA đã thực hiện việc quản lý truy cập kênh truyền dưới dạng phân tán, do đó đã cung cấp cơ sở cho sự phát triển về sau của các lược đồ truy cập kênh phân tán cho phép sự hoạt động của mạng MANET

Khởi nguồn từ các mạng ALOHA và những phát triển ban đầu của mạng cố định chuyển mạch gói, tổ chức DARPA đã bắt đầu làm việc trên các mạng vô tuyến gói tin PRnet (Packet Radio network) vào năm 1973 [16] Đây là mạng vô tuyến gói tin đa chặng đầu tiên Trong ngữ cảnh này, đa chặng có nghĩa là các nút hợp tác để chuyển tiếp truyền thông cho các nút ở xa nằm ngoài vùng truyền thông của một nút PRnet đã cung cấp cơ chế cho việc quản lý hoạt động trên cơ sở tập trung cũng như phân tán

Người ta cũng bắt đầu nhận thấy nhiều lợi điểm của làm việc đa chặng so với đơn chặng Triển khai đa chặng tạo điều kiện thuận lợi cho việc dùng lại các tài nguyên kênh truyền về cả không gian và thời gian và làm giảm năng lượng phát cần thiết Trong khi đó, làm việc đơn chặng chỉ chia sẻ các tài nguyên kênh về thời gian

và yêu cầu năng lượng cao hơn để có thể giao tiếp được với các nút ở xa Hình 2 thể hiện sự giao thoa về không gian trong các ngữ cảnh đa chặng và đơn chặng [20] Trong cả hai trường hợp, ngữ cảnh mạng là hoàn toàn giống nhau về sự phân bố của các nút, nguồn phát và đích Trong trường hợp đa chặng, các gói tin được định tuyến thông qua nhiều điểm chuyển phát Tuy nhiên, trong mạng đơn chặng, gói tin

được gửi trực tiếp từ nguồn tới đích Các vòng tròn thể hiện mức năng lượng phát cần thiết của mỗi nút để có thể giao tiếp với nút đích

Hình 2: Hoạt động của mạng đơn chặng và đa chặng

Mặc dù nhiều mạng vô tuyến gói tin đã được phát triển sau đó, các hệ thống không dây này vẫn chưa bao giờ được đưa vào phục vụ người sử dụng thông thường Khi chuẩn IEEE 802.11, một chuẩn cho mạng cục bộ không dây được phát triển, viện IEEE đã thay thế khái niệm mạng vô tuyến gói tin thành mạng MANET Các mạng vô tuyến gói tin do đó thường gắn với các mạng đa chặng rộng lớn trong quân sự IEEE hi vọng loại mạng mới này sẽ được triển khai sử dụng rộng rãi trong thực tế

Một số công nghệ không dây hiện tại hỗ trợ sự làm việc của mạng MANET là Bluetooth và IEEE 802.11 Trong đó, IEEE 802.11 là chuẩn cục bộ không dây có cơ

sở hạ tầng được bổ sung chức năng hỗ trợ làm việc mạng MANET [11] Mạng IEEE 802.11b làm việc ở dải băng tần 2.4GHz với tốc độ dữ liệu 11Mbps và hiện tại đã đạt tới 20 Mbps Chuẩn IEEE 802.11a tiếp theo hoạt động ở dải băng tần 5GHz và tốc độ dữ liệu đạt tới 54Mbps Trong khi đó, Bluetooth là kiến trúc làm việc của mạng MANET không dây dải sóng ngắn cho các mạng cá nhân WPAN Mạng này nhằm mục đích kết nối các thiết bị cá nhân di động như các máy tính

Nút đích Nút chuyển tiếp Nút nguồn

Các nút khác

Đa chặng Đơn chặng

laptop, PDA, các thiết bị ngoại vi, điện thoại cầm tay, các máy quay kỹ thuật số, các headset và các thiết bị điện tử khác Vùng hoạt động của mạng do vậy rất nhỏ, thường dưới 10m xung quanh cá nhân và thường được gọi là không gian hoạt động

cá nhân - POS (Personal Operating Space)

1.1.2 Các ngữ cảnh sử dụng mạng

Các ứng dụng đầu tiên của mạng vô tuyến gói tin MANET là trong quân sự, trong đó sự hoạt động phi tập trung của mạng là một nhu cầu cần thiết Ngày nay, các thiết bị tính toán không dây, di động vẫn có mức giá khá cao Tuy nhiên, khả năng của các máy tính di động sẽ tăng lên và nhu cầu về sự làm việc có kết nối mạng không bị giới hạn bởi dây dẫn do vậy cũng sẽ tăng Các mạng MANET có thể được dùng trong các tình huống khi không có cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc mạng tế bào

Mạng MANET có thể được triển khai trong truy cập công cộng không dây ở các khu vực thành phố, trường học giúp thực hiện nhanh các cuộc truyền thông và

mở rộng diện họat động Các điểm truy cập có thể dùng như các trạm tiếp sóng cố định thực hiện việc định tuyến giữa chúng và giữa các nút người dùng Một số điểm truy cập có thể dùng như gateway cho phép người dùng kết nối tới mạng xương sống cố định

Ở mức cục bộ, mạng MANET liên kết các notebook hoặc các máy tính laptop

để phân phát và chia sẻ thông tin giữa những người tham gia một hội nghị hay lớp học Mạng MANET cũng thích hợp cho các ứng dụng trong mạng gia đình Trong

đó, các thiết bị có thể truyền thông trực tiếp với nhau để trao đổi thông tin dữ liệu như âm thanh, hình ảnh, báo thức và các cập nhật cấu hình

Một dạng đặc biệt của mạng MANET là mạng cảm biến (sensor network) được triển khai trong các ứng dụng về kiểm soát môi trường Các mạng này có thể được dùng để dự báo những ô nhiễm về nguồn nước hoặc những cảnh báo sớm về

lũ lụt hoặc sóng thần

Các mạng MANET dải sóng ngắn làm đơn giản hóa truyền thông giữa các thiết bị di động khác nhau như điện thoại tế bào và PDA bằng việc hình thành các mạng WPAN và loại bỏ sự kết nối bằng cáp Mạng có thể giúp chia sẻ khả năng truy cập Internet và các tài nguyên trong mạng như máy in giữa các thiết bị Khả năng này giúp mở rộng tính di động của người dùng Hiện nay, Bluetooth là công nghệ hứa hẹn nhất trong ngữ cảnh làm việc mạng cá nhân (hình 3) [20]

Hình 3: Mạng WPAN với các kết nối Internet

Kết hợp với truyền thông vệ tinh, công nghệ mạng MANET có thể cung cấp phương pháp rất linh động cho việc thiết lập các truyền thông trong các hoạt động cứu hộ, chữa cháy, an toàn, các ngữ cảnh yêu cầu sự truyền thông được triển khai nhanh, hoàn toàn không dựa trên các cơ sở hạ tầng truyền thông cố định

1.1.3 Các đặc điểm mạng

Trong mạng MANET, các nút là di động và được trang bị các bộ phát và nhận tín hiệu không dây sử dụng các loại ăng-ten khác nhau Tại một thời điểm, phụ thuộc vào vị trí của nút và dạng bao phủ của bộ nhận và phát tín hiệu, mức năng lượng phát và mức độ giao thoa cùng kênh, kết nối không dây giữa các nút có dạng ngẫu nhiên và là đồ thị đa chặng Cấu hình này thay đổi theo thời gian do các nút di chuyển hoặc điều chỉnh các tham số phát và nhận sóng

Internet

GPRS

Từ đó, có thể nhận thấy một số đặc điểm nổi bật của mạng MANET có ảnh hưởng tới thiết kế và hiệu suất của các giao thức trong mạng [24]:

• Cấu hình mạng động: Do sự di chuyển của các nút, mạng thông thường là đa

chặng, có thể thay đổi một cách ngẫu nhiên và nhanh chóng tại bất kỳ thời điểm nào và có thể chứa các liên kết hai chiều cũng như một chiều

• Băng thông hạn chế, khả năng của các liên kết có thể biến đổi: Các liên kết

không dây có băng thông thấp hơn đáng kể so với các đường truyền cáp Thêm vào đó, thông lượng của các đường truyền thông không dây do ảnh hưởng của

đa truy cập, sự suy giảm, nhiễu và các điều kiện giao thoa thường nhỏ hơn tốc

độ truyền lớn nhất của sóng vô tuyến

• Các nút có năng lượng thấp: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng MANET

dùng pin để cung cấp năng lượng hoạt động cho các thành phần trong thiết bị

Do vậy, các nút trong mạng MANET thường bị hạn chế về khả năng tính toán của CPU, kích thước bộ nhớ, khả năng xử lý tín hiệu và mức năng lượng phát và nhận sóng

• Bảo mật vật lý có giới hạn: Do việc truyền qua không khí, các mạng không dây

tiềm ẩn nhiều nguy cơ bảo mật hơn các mạng cáp Nhiều khả năng tấn công bảo mật như nghe trộm, giả mạo và từ chối dịch vụ (DoS) có thể xảy ra Các kỹ thuật bảo mật cần được triển khai trên nhiều tầng giao thức để làm giảm các nguy cơ

đe doạ việc bảo mật

đề về không dây và tính chất động của mạng MANET khiến cho các giao thức định

tuyến được thiết kế cho các mạng cố định không thể áp dụng hoặc gần như thất bại trong mạng MANET Việc thiết kế một giao thức định tuyến làm việc hiệu quả trong mạng MANET là một bài toàn khó

1.2.1 Các thuật toán định tuyến truyền thống

Để tìm đường đi cho các gói tin qua hệ thống các router trong mạng, các giao thức định tuyến truyền thống thường sử dụng giải thuật véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing - DV) hoặc trạng thái liên kết (Link State Routing – LS) Thuật toán DV còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được sử dụng trong mạng Internet với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol) Thuật toán LS được sử dụng trong giao thức OLSF (Open Shortest Path First) của Internet [3]

Trong giải thuật DV, mỗi router quảng bá một cách định kỳ tới các hàng xóm thông tin khoảng cách từ nó tới tất cả các router khác Các router dựa trên thông tin nhận được này tính toán đường đi tốt nhất tới các router khác Bằng việc so sánh các khoảng cách từ mỗi hàng xóm tới một đích nào đó, router có thể quyết định hàng xóm nào sẽ là chặng tiếp theo trong đường đi tới đích để đường đi là tối ưu nhất Bảng định tuyến tại các router do đó lưu trữ các thông tin về các đích trong mạng (các router khác trong mạng), chặng tiếp theo và khoảng cách tới đích Vấn

đề với DV là khả năng hội tụ chậm và sự hình thành các vòng lặp định tuyến

Trong giải thuật LS, mỗi router duy trì thông tin đầy đủ về cấu hình của toàn

bộ mạng Để làm được điều này, mỗi router quảng bá định kỳ các gói tin LSP (Link State Packet) có chứa thông tin về các hàng xóm và giá tới mỗi hàng xóm Các thông tin này sẽ được truyền tới tất cả các router trong mạng Từ thông tin về giá của các liên kết trong toàn bộ mạng, các router có thể tính toán đường đi ngắn nhất tới các đích có thể

Việc sử dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng MANET với việc xem mỗi nút như một router dẫn tới một loạt các vấn đề [21]:

9 Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định

9 Các đường đi dư thừa được tích luỹ một cách không cần thiết

9 Hệ thống khó có thể phản hồi đủ nhanh với các thay đổi thường xuyên trong cấu hình mạng

1.2.2 Bài toán định tuyến mạng MANET

Có thể thấy, các giao thức định tuyến truyền thống nếu sử dụng cho mạng MANET sẽ đặt quá nhiều công việc tính toán và truyền thông lên các nút di động trong mạng Thêm vào đó, yêu cầu về tính hội tụ của các giao thức sẽ khó có thể thực hiện trong mạng MANET với tính chất động của môi trường Mặc dù tốc độ hội tụ có thể cải thiện bằng cách gửi các thông điệp cập nhật thường xuyên hơn nhưng điều này sẽ làm tiêu tốn thêm băng thông và năng lượng nguồn nuôi Hơn nữa, khi cấu hình mạng ít thay đổi việc gửi thường xuyên các cập nhật sẽ rất lãng phí

Do vậy, các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần giảm tổng phí cho việc định tuyến, thích ứng nhanh và tự động với các điều kiện thay đổi của mạng Giao thức phải đảm bảo thực hiện hiệu quả trong môi trường khi các nút đứng yên

và băng thông là không giới hạn và đủ hiệu quả khi băng thông tồn tại giữa các nút thấp và mức độ di chuyển và thay đổi cấu hình cao

Do đó, khi nghiên cứu thiết kế các giao thức định tuyến trong mạng MANET, người ta thường phải xem xét một số yếu tố sau đây [24]:

9 Hoạt động phân tán: cách tiếp cận tập trung sẽ thất bại do sẽ tốn rất nhiều thời gian để tập hợp thông tin trạng thái hiện tại và phát tán lại nó Trong thời gian đó, cấu hình mạng có thể đã thay đổi

9 Không có lặp định tuyến: hiện tượng xảy ra khi một phần nhỏ các gói tin quay vòng trong mạng trong một khoảng thời gian nào đó Một giải pháp có thể là sử dụng giá trị thời gian quá hạn

9 Tính toán đường dựa trên yêu cầu: thay thế việc duy trì định tuyến tới tất cả các nút tại tất cả các thời điểm bằng việc thích ứng với dạng truyền thông Mục đích là tận dụng hiệu quả năng lượng và băng thông, mặc dù độ trễ tăng lên do sự phát hiện đường

9 Tính toán đường trước: Khi độ trễ có vai trò quan trọng và băng thông cũng như năng lượng cho phép, việc tính toán đường trước sẽ giảm độ trễ phân phát

9 Bảo mật: Giao thức định tuyến mạng MANET có khả năng bị tấn công dễ dàng bằng một số dạng như xâm nhập truyền thông, phát lại, thay đổi các tiêu đề gói tin, điều hướng các thông điệp định tuyến Do vậy, cần có các phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức

9 Hoạt động nghỉ: giao thức định tuyến cần cung cấp yêu cầu bảo tồn năng lượng của các nút khi có thể

9 Hỗ trợ liên kết đơn hướng: hỗ trợ trường hợp khi các liên kết đơn hướng tồn tại trong mạng MANET

Chương 2:

CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG MANET

2.1 Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET

Thiết kế của các giao thức định tuyến mạng MANET bao gồm các lựa chọn

về thông tin định tuyến được trao đổi, chiến lược phát các thông tin định tuyến và cách tính toán đường đi của gói tin Các kỹ thuật định tuyến khác nhau được áp dụng trong các giao thức định tuyến mạng MANET có thể được tổng kết như sau [18,32]

2.1.1 Định tuyến Link State và Distance Vector

Một số giao thức định tuyến mạng MANET dựa trên các kỹ thuật định tuyến trong mạng có dây Link state và Distance Vector để xây dựng các giải thuật thích ứng với mạng MANET Vấn đề với định tuyến Link state là tổng phí định tuyến tăng cao khi mạng có nhiều thay đổi; đối với định tuyến Distance Vector đó là vấn

đề hội tụ chậm và khuynh hướng tạo ra các vòng lặp định tuyến Các giao thức định tuyến mạng MANET tìm cách khắc phục các hạn chế này bằng một số sửa đổi Một

số ví dụ về các giao thức này là DSDV, OLSR,…

2.1.2 Định tuyến chủ ứng và định tuyến phản ứng

Định tuyến chủ ứng (Proactive) là phương pháp định tuyến của các giao thức truyền thống; trong đó đường tới tất cả các đích được tính toán trước, các thông tin định tuyến được cập nhật định kỳ hoặc bất cứ khi nào cấu hình mạng thay đổi Ưu điểm của phương pháp định tuyến này là độ trễ phát gói tin thấp Tuy nhiên, một số đường không cần dùng đến và việc truyền các thông điệp định kỳ tiêu tốn băng thông khi mạng thay đổi nhanh

Định tuyến phản ứng (Reactive) là phương pháp định tuyến theo yêu cầu; trong đó đường tới đích không được tính toán trước mà chỉ được xác định khi cần

đến Quá trình phát hiện liên kết bị hỏng và xây dựng lại đường được gọi là quá trình duy trì đường Ưu điểm của định tuyến phản ứng là hạn chế được băng thông

do chỉ cần đường tới các đích cần thiết và loại bỏ các cập nhật định kỳ Tuy nhiên, vấn đề với phương pháp định tuyến này là độ trễ lớn trước khi phát do việc phải thực hiện phát hiện đường

2.1.3 Cập nhật định kỳ và cập nhật theo sự kiện

Cập nhật định kỳ thực hiện bằng việc phát các gói tin định tuyến một cách định kỳ Kỹ thuật này làm đơn giản hóa các giao thức và cho phép các nút học được cấu hình và trạng thái của toàn bộ mạng Tuy nhiên, giá trị quãng thời gian cập nhật

là một tham số quan trọng

Cập nhật theo sự kiện diễn ra khi có sự kiện xảy ra trong mạng như liên kết hỏng hoặc liên kết mới xuất hiện Khi đó, gói tin cập nhật sẽ được quảng bá và trạng thái cập nhật được truyền trong toàn bộ mạng Nhưng khi mạng thay đổi nhanh, số lượng gói tin cập nhật sẽ lớn và có thể gây ra các dao động về đường Một số giao thức sử dụng kết hợp hai cơ chế này, thí dụ DSDV,

2.1.4 Cấu trúc phẳng và cấu trúc phân cấp

Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút trong mạng ở cùng mức với nhau và có chức năng định tuyến như nhau Cấu trúc phẳng đơn giản và hiệu quả với các mạng nhỏ Tuy nhiên, đối với các mạng lớn, lượng thông tin định tuyến cũng sẽ lớn và sẽ mất nhiều thời gian hơn để thông tin định tuyến có thể tới được các nút ở xa

Đối với các mạng lớn, định tuyến phân cấp được áp dụng để giải quyết vấn đề trên Trong định tuyến phân cấp, các nút được tổ chức động thành các phân hoạch gọi là cluster, sau đó các cluster được kết hợp lại thành các phân hoạch lớn hơn gọi

là các supercluster, v.v Việc tổ chức mạng thành các cluster giúp duy trì cấu hình mạng tương đối bền vững Tính chất động cao của các thành viên và cấu hình mạng được giới hạn trong cluster Chỉ có thông tin mức cao, ổn định như mức cluster

hoặc supercluster được truyền qua khoảng cách xa do đó truyền thông điều khiển hay tổng phí định tuyến được giảm đáng kể

2.1.5 Tính toán phi tập trung và tính toán phân tán

Trong giao thức dựa trên tính toán phi tập trung, mọi nút trong mạng duy trì thông tin toàn cục hoàn chỉnh về cấu hình mạng để tính toán các đường đi ngay khi cần Tính toán đường trong các giao thức sử dụng trạng thái liên kết (Link state) là

ví dụ của tính toán phi tập trung Trong giao thức dựa trên tính toán phân tán, mọi nút trong mạng chỉ duy trì thông tin bộ phận hoặc cục bộ về cấu hình mạng Khi một đường cần được tính toán, nhiều nút sẽ phối hợp để tính toán đường Tính toán đường trong các giao thức sử dụng véc-tơ khoảng cách (Distance vector) và phát hiện đường trong các giao thức theo yêu cầu thuộc vào tiếp cận này

2.1.6 Định tuyến nguồn và định tuyến theo chặng

Trong định tuyến nguồn, nút nguồn đặt toàn bộ đường trong tiêu đề của gói tin

dữ liệu, các nút trung gian chuyển tiếp các gói tin theo đường trong tiêu đề Các giao thức này loại bỏ nhu cầu quảng cáo đường định kỳ và các gói tin phát hiện hàng xóm Vấn đề lớn nhất với định tuyến nguồn là khi mạng lớn và đường đi dài, việc đặt toàn bộ đường trong tiêu đề gói tin sẽ làm lãng phí băng thông

Trong định tuyến theo chặng, đường tới đích được phân tán theo các chặng Khi một nút nhận được gói tin cần chuyển tới đích, nút chuyển tiếp gói tin theo chặng tiếp theo tương ứng với đích Vấn đề là tất cả các nút cần duy trì thông tin định tuyến và có khả năng tránh được việc hình thành lặp định tuyến

2.1.7 Đơn đường và đa đường

Một số giao thức định tuyến tìm một đường duy nhất từ nguồn tới đích Do

đó, giao thức trở nên đơn giản và tiết kiệm được không gian lưu trữ Tuy nhiên, một

số giao thức khác lại áp dụng việc tìm nhiều đường Mục tiêu của các giao thức này

là sự tin cậy và mạnh mẽ

2.2 Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET

Hình 4: Phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET

Với các kỹ thuật định tuyến được trình bày, có thể có nhiều cách phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET như dựa trên cấu trúc (phẳng hay phân cấp), thông tin trạng thái (toàn cục, phi tập trung hay phân tán), sự lập lịch tính toán đường (chủ ứng hay phản ứng) Hình 4 là một sơ đồ phân loại các giao thức định tuyến mạng MANET dựa trên cách tính toán các đường đi [9,32] Theo phương pháp này, các giao thức định tuyến mạng MANET được chia thành lớp các giao thức chủ ứng, phản ứng và các giao thức lai sử dụng kết hợp hai cơ chế Sơ đồ phân loại còn thể hiện các quan hệ giữa các giao thức

2.2.1 Giao thức DSDV (Destination-Sequence Distance Vector)

DSDV là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên véc tơ khoảng cách theo chặng [5] Mỗi nút trong mạng duy trì một bảng định tuyến có chứa chặng tiếp theo

và số chặng tới mỗi đích trong mạng Để giữ cho các bảng định tuyến được cập nhật, DSDV yêu cầu mỗi nút phát quảng bá định kỳ các cập nhật định tuyến tới các hàng xóm và phát ngay các cập nhật khi có các thay đổi quan trọng xảy ra trong mạng

ZRP

Để tránh lặp định tuyến, DSDV sử dụng số thứ tự gắn với mỗi đường Số thứ

tự cho thấy độ mới của đường Đường có số thứ tự cao hơn được xem là tốt hơn Tuy nhiên, hai đường có cùng số thứ tự nhưng đường nào có độ đo (metric) tốt hơn thì sẽ tốt hơn Số thứ tự này được khởi tạo ban đầu bởi nút đích Mỗi nút trong

mạng quảng cáo bằng việc tăng đều đặn số thứ tự của mình theo số chẵn Số thứ tự này được tăng lên một (trở thành số lẻ) bởi nút phát hiện đường tới đích có liên kết

hỏng do không nhận được các cập nhật định kỳ Trong lần quảng cáo đường sau, nút phát hiện liên kết hỏng sẽ quảng cáo đường tới đích có số chặng vô hạn và số

thứ tự đường mới (số thứ tự lẻ)

Ngoài ra, để tránh sự bùng nổ các cập nhật định tuyến tại các thời điểm cấu hình mạng thay đổi nhanh, DSDV cũng áp dụng cơ chế hãm các cập nhật tức thời khi có các thay đổi xảy ra trong mạng Bằng việc ghi nhận các quãng thời gian xảy

ra những thay đổi về đường, DSDV làm trễ các cập nhật tức thời theo thời gian đó Nhằm làm giảm hơn nữa lượng thông tin trong các gói tin cập nhật, DSDV sử

dụng hai loại thông điệp cập nhật là: cập nhật đầy đủ (full dump) và cập nhật bổ sung (incremental dump) Cập nhật đầy đủ mang tất cả thông tin định tuyến có

trong nút và cập nhật bổ sung chỉ mang các thông tin về những thay đổi từ lần cập nhật đầy đủ gần nhất Để làm được điều này, DSDV lưu trữ hai bảng khác nhau, một dùng để chuyển tiếp các gói tin, một để phát các gói tin cập nhật bổ sung Cập nhật đầy đủ được truyền tương đối ít thường xuyên khi ít có sự di chuyển của nút Khi các nút mạng di chuyển thường xuyên, cập nhật đầy đủ được phát để các cập nhật bổ sung sẽ nhỏ hơn Tuy nhiên, khi có các thay đổi trong mạng, nút thông thường chỉ phát cập nhật bổ sung

2.2.2 Giao thức OLSR (Optimized Link State Routing Protocol)

OLSR là giao thức định tuyến chủ ứng dựa trên trạng thái liên kết [26] Sự khác nhau giữa OLSR và định tuyến theo trạng thái liên kết trong mạng có dây là OLSR dựa trên các chuyển phát đa điểm MPR (hình 5) Các điểm chuyển phát MPR là số tối thiểu các nút trong số các hàng xóm trực tiếp có thể chuyển tiếp các

gói tin của nút tới các nút xa hơn Ý tưởng của chuyển phát đa điểm là tối thiểu hóa việc làm tràn ngập các thông điệp quảng bá trong mạng

Hình 5: Định tuyến trạng thái liên kết và định tuyến cải tiến trong OLSR

OLSR sử dụng hai loại thông điệp điều khiển HELLO và TC (Topology Control) Thông điệp HELLO được phát định kỳ để cảm nhận trạng thái liên kết với các hàng xóm và xây dựng nên tập MPR Thông điệp HELLO chỉ được gửi đi một chặng nhưng thông điệp TC được quảng bá trong toàn mạng Các thông điệp TC được dùng để quảng bá thông tin về danh sách các MPR của mỗi nút và được phát định kỳ Tuy nhiên, chỉ các nút trong tập MPR là chuyển tiếp các thông điệp TC Mỗi nút duy trì một bảng định tuyến được xây dựng từ thông tin cấu hình trong các thông điệp TC và thông tin liên kết cục bộ trong các thông điệp HELLO Khi có bất cứ thay đổi nào trong các thông tin này, bảng định tuyến được tính toán lại Do OLSR là giao thức chủ ứng, bảng định tuyến có chứa đường đi tới tất cả các nút trong mạng Các đường trong bảng định tuyến được tính dựa trên giải thuật đường đi ngắn nhất

2.2.3 Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing)

AODV là giao thức phản ứng dựa trên bảng [4,25] Mỗi nút duy trì một bảng định tuyến chứa đường đi tới những đích mà nút giao tiếp Mỗi đường được lưu với các thông tin về địa chỉ đích, số thứ tự đích, số chặng, chặng tiếp theo, thời gian tồn

tại của đường, trạng thái đường, các nút hàng xóm sử dụng đường, thông tin ghi nhận các yêu cầu đã được xử lý

AODV sử dụng các thông điệp khác nhau để phát hiện và duy trì các liên kết Khi có yêu cầu về đường, nếu đường chưa được biết hoặc đã quá hạn, nút quảng bá thông điệp yêu cầu đường RREQ (Route REQuest) tới tất cả các hàng xóm RREQ được phát đi toàn mạng cho tới khi đến được đích hoặc một nút có đường đi tới đích Trên đường đi qua mạng, RREQ khởi tạo đường quay trở về nguồn tạm thời tại các nút đi qua Nút cũng lưu trữ định danh của các RREQ đã nhận để loại bỏ các RREQ được nhận lại

Khi RREQ tới đích hoặc nút có đường hợp lệ tới đích, gói tin trả lời RREP (Route REPly) được khởi tạo và gửi quay trở lại nút nguồn qua đường đi đã được thiết lập bởi RREQ Trong quá trình đó, RREP thiết lập đường hướng tới đích tại các nút chuyển tiếp Khi RREP tới được nguồn, đường từ nguồn tới đích đã được thiết lập Nếu nút nguồn không nhận được RREP trong khoảng thời gian nào đó, nút

sẽ gửi lại RREQ hoặc giả thiết là không có đường tới đích

Để cảm nhận liên kết, AODV sử dụng các thông điệp HELLO được quảng bá định kỳ tới các hàng xóm Thông điệp HELLO cho biết về sự tồn tại của nút và liên kết với nút vẫn hoạt động Khi thông điệp HELLO không đến từ một hàng xóm trước đó, nút đánh dấu liên kết tới hàng xóm đó là hỏng và thông báo cho các nút bị ảnh hưởng bằng việc gửi thông báo lỗi đường RERR (Route ERRor) Trong cài đặt, việc phát hiện liên kết lỗi có thể thực hiện bởi lớp vật lý hoặc lớp liên kết

2.2.4 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing)

DSR là giao thức phản ứng dựa trên định tuyến nguồn [7,8] Mỗi gói tin mang trong tiêu đề một danh sách có thứ tự và đầy đủ về các nút cần đi qua để tới đích

Do đó, các nút trung gian chỉ cần duy trì các liên kết với các hàng xóm để chuyển tiếp các gói tin Tuy nhiên, nút nguồn cần biết thứ tự hoàn chỉnh các chặng tới đích

Mỗi nút duy trì một bộ nhớ đường đi - Route Cache có chứa các đường đi đã biết Khi đường được cần đến không có trong Route Cache, quá trình phát hiện đường được khởi tạo bằng việc phát gói tin yêu cầu đường Route Request Khi một nút nhận được gói tin yêu cầu đường, nút tìm trong Route Cache đường tới đích được yêu cầu Nếu đường trong Route Cache không tìm thấy, nút chuyển tiếp gói

tin yêu cầu đường cho các hàng xóm sau khi bổ sung địa chỉ vào thứ tự các chặng được lưu trong gói tin yêu cầu đường Gói tin yêu cầu đường được truyền qua mạng cho tới khi đến đích hoặc nút có đường đi tới đích Nếu đường được tìm thấy, gói

tin trả lời (Route Reply) có chứa thứ tự các chặng tới đích được gửi trở lại nguồn

Để đảm bảo các đường đi là hợp lệ, DSR sử dụng cơ chế bảo trì đường đi để phát hiện các thay đổi liên kết Các cơ chế bảo trì đường bao gồm việc thực hiện các

biên nhận theo chặng hoặc đầu cuối, kèm theo đó là cơ chế phát các gói tin Route Error để thông báo về sự đứt liên kết DSR có thể sử dụng thông tin trạng thái được

truyền từ lớp MAC để thông báo về sự đứt liên kết này Trong trường hợp có sự đứt

liên kết, gói tin Route Error được gửi lại cho nút nguồn Nút nguồn sau đó sẽ xoá

bỏ liên kết bị hỏng ra khỏi Route Cache và tất cả các đường có chứa chặng này

được cắt tại điểm có liên kết hỏng Ngoài ra, các nút trung gian chuyển tiếp gói tin

Route Error có thể cập nhật Route Cache theo cách tương tự

2.2.5 Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm)

TORA là giao thức phản ứng dựa trên giải thuật đảo ngược liên kết (Link Reversal) [29,30] Giao thức được thiết kế để phát hiện đường theo yêu cầu, cung

cấp nhiều đường, thiết lập đường nhanh và tối thiểu hóa chi phí truyền thông bằng cách cục bộ hóa phản ứng của giải thuật đối với các thay đổi cấu hình khi có thể Giao thức chỉ phản ứng khi tất cả đường tới đích bị mất

Hoạt động của TORA có thể phân tách thành ba chức năng cơ bản: tạo đường, duy trì đường và xóa đường Việc tạo đường về cơ bản là thực hiện gán các hướng cho các liên kết trong một mạng hoặc phần mạng vô hướng để tạo nên đồ thị có

hướng không có vòng lặp (Directed Acyclic Graph - DAG) gốc đặt tại đích (hình 6)

Hình 6: Sự hình thành đường trong giao thức TORA

TORA gắn mỗi độ cao tương ứng với đích cho mỗi nút trong mạng Tất cả thông điệp trong mạng đi theo chiều từ nút có độ cao lớn hơn đến nút có độ cao thấp hơn giống chiều chảy của dòng nước Đường được phát hiện bằng các gói tin truy vấn (QUERY) và cập nhật (UPDATE) Khi một nút cần đường đi tới đích, nút sẽ gửi quảng bá một gói tin QUERY Gói tin QUERY được truyền qua mạng cho tới khi đến đích hoặc một nút có đường đi tới đích Nút trả lời đường sau đó sẽ quảng

bá thông điệp UPDATE có chứa độ cao của nút Mọi nút nhận được gói tin UPDATE sẽ thiết lập độ cao lớn hơn độ cao trong thông điệp UPDATE và quảng bá gói tin UPDATE của mình Kết quả là các liên kết trực tiếp từ nút khởi đầu của gói tin QUERY tới đích được hình thành Nút nguồn do đó có thể nhận được nhiều đường

Cơ chế duy trì đường là phản ứng của giao thức với các thay đổi cấu hình trong mạng Khi một nút phát hiện đường tới đích không còn hợp lệ, nút điều chỉnh

độ cao của mình là độ cao lớn nhất trong số các hàng xóm và phát một gói tin UPDATE Khi phát hiện thấy sự phân hoạch mạng, tất cả các liên kết trong phần mạng bị phân hoạch ra khỏi đích được đánh dấu là vô hướng để xóa các đường đi không hợp lệ Việc xóa các đường được thực hiện bằng các thông điệp CLEAR

2.2.6 So sánh các giao thức

Bảng 1 so sánh độ phức tạp của các giao thức với các tiêu chuẩn [9,32]:

• Độ phức tạp lưu trữ: kích thước lưu trữ mỗi nút cần để lưu các thông tin cần

thiết cho việc định tuyến

• Độ phức tạp thời gian: số các bước cần để thực hiện một hoạt động của giao

thức

• Độ phức tạp truyền thông: số thông điệp cần để thực hiện một hoạt động của

giao thức

Các ký hiệu trong bảng gồm có: M: số nút chuyển tiếp sóng (MPR); N: Tổng

số nút trong mạng, A: Số trung bình các nút liền kề (các nút hàng xóm); D: Đường

Giao thức Độ phức tạp

lưu trữ

Độ phức tạp thời gian

Độ phức tạp truyền thông

DSR O(D) O(2D) O(2N)

Bảng 1: So sánh độ phức tạp của các giao thức

Bảng 2 và 3 tổng kết và so sánh các đặc điểm của các giao thức Trong đó:

• Thông tin lưu trữ: Thông tin được lưu tại mỗi nút

• Thời gian cập nhật: Áp dụng trong các giao thức định tuyến chủ ứng Các giá trị

so sánh là: định kỳ, theo sự kiện và lai (kết hợp cả hai cơ chế) Đối với các giao thức phản ứng, khi liên kết bị hỏng, cơ chế duy trì đường được thực hiện, việc xây dựng lại đường được gọi là hướng sự kiện

• Thông tin cập nhật: Thông tin về trạng thái liên kết Đối với các giao thức phản

ứng, cơ chế duy trì đường theo sự kiện, thông tin cập nhật là các thông điệp ROUTE-ERROR

• Đối tượng cập nhật: là các hàng xóm hoặc các nút nguồn bị ảnh hưởng

• Phương pháp cập nhật: quảng bá (broadcast) hoặc unicast

• Tính toán đường: Khi nào đường được tính toán Có ba trường hợp: tính toán

trước, theo yêu cầu và lai giữa hai cơ chế Đối với các giao thức định tuyến trước, việc tính toán có thể thực hiện bởi nút hoặc hợp tác, phân tán giữa các nút Tuy nhiên, trong các giao thức định tuyến phản ứng, việc tính toán đường thông thường là việc gửi quảng bá thông điệp truy vấn đường được truyền qua toàn mạng để phát hiện đường

• Số đường: Số đường tìm thấy được lưu trữ

• Duy trì đường: Việc có áp dụng hay không cơ chế duy trì đường trong các giao

thức

lưu trữ

Thời gian cập nhật

Thông tin cập nhật

Đối tượng cập nhật

cách

Định kỳ và theo sự kiện

Véc tơ khoảng cách

Các hàng xóm

hình mạng

Hello: thông tin liên kết cục

bộ và hàng xóm (MPR)

Thông điệp TC: thông tin

về các MPR

Tất cả các nút trong mạng

AODV Chặng tiếp

theo tới đích có giao tiếp

Cơ chế duy trì đường theo sự kiện

Thông điệp lỗi

đường (route error)

Nút nguồn

các đích có giao tiếp

Cơ chế duy trì đường theo sự kiện

Thông điệp lỗi

đường (route error)

Một đường (đường đi ngắn nhất)

Gửi các cập nhật định kỳ

và theo sự kiện

hiện bởi nút

Một đường (đường đi ngắn nhất)

Gửi các cập nhật

AODV Unicast Phản ứng theo

yêu cầu, quảng

bá thông điệp truy vấn

Một đường (đường đầu tiên nhận được bởi thông điệp trả lời)

Xóa đường, thông báo tới tất cả các nút nguồn bị ảnh hưởng

yêu cầu, quảng

bá thông điệp truy vấn

thông báo cho nút nguồn

TORA Quảng bá Phản ứng theo

yêu cầu, quảng

bá thông điệp truy vấn

liên kết, sửa đường

Bảng 3: So sánh giữa các giao thức (tiếp)

và lý thuyết đồ thị (graph theory) Tuy nhiên, không có kỹ thuật nào kể trên thích hợp cho việc nghiên cứu các mạng động như mạng MANET

Phương pháp đo thực thường được áp dụng khi các yếu tố đảm bảo về kỹ thuật cho phép và chi phí cho các thiết bị đo và các phép đo là có thể chấp nhận Đối với các hệ thống đang hoạt động, việc phân tích và đánh giá hiệu suất hoạt động dựa trên các số liệu thu thập được bởi các bộ giám sát bằng phần cứng, bộ giám sát phần mềm hoặc hệ thống giám sát lai bằng phương pháp thử ngẫu nhiên hoặc được kích hoạt bởi các sự kiện qui định trong và ngoài hệ thống tại các giao diện vào và ra của

hệ thống Do các mạng MANET vẫn còn là một chủ đề đang được nghiên cứu, hầu hết các ngữ cảnh sử dụng mạng thực chưa được biết đến Với nhiều yếu tố không chắc chắn và động, việc sử dụng phương pháp đo thực hầu như không thể thực hiện được và sẽ rất tốn kém

Mô hình hoá mô phỏng là việc sử dụng các chương trình máy tính để mô phỏng kiến trúc và quá trình hoạt động của một hệ thống và trên cơ sở đó, xác định các thông số hiệu suất của hệ thống Mô phỏng cho phép thể hiện nhiều đặc điểm phức tạp cần thiết về các hiện tượng được nghiên cứu Ngoài ra, sử dụng mô phỏng

có chi phí thấp, có thể tạo ra một lượng lớn các lần chạy thử nghiệm Vì những lý

do này, lựa chọn phổ biến cho nghiên cứu hành vi của các giao thức trong mạng MANET vẫn là mô phỏng

Bộ mô phỏng mạng mà chúng tôi sử dụng để nghiên cứu các giao thức định tuyến mạng MANET là NS2 của trường đại học UC Berkeley thuộc dự án VINT (Virtual Network Testbed) [27] NS2 là bộ mô phỏng đa giao thức, mã nguồn mở

3.2 Bộ mô phỏng NS2

NS2 (Network Simulation 2) [27] là bộ mô phỏng đa giao thức thuộc dự án nghiên cứu và phát triển của các nhà nghiên cứu tại trường đại học UC Berkeley từ năm 1989 phục vụ cho các nghiên cứu về sự làm việc của mạng NS2 có chứa một thư viện phong phú các mô hình khác nhau dùng cho việc nghiên cứu mạng Khác với các chương trình mô phỏng riêng lẻ được phát triển cho các mục đích nghiên cứu cụ thể, ví dụ các chương trình mô phỏng ATM hoặc PIM muticast, khả năng

mô phỏng của NS2 bao gồm các mạng có dây và không dây

Bên cạnh đó, NS2 là phần mềm mã nguồn mở được quan tâm và phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu thuộc các viện, trường đại học và các trung tâm nghiên cứu Trong hỗ trợ mô phỏng mạng MANET, phần mã mô phỏng lớp vật lý, lớp liên kết

và lớp MAC được xây dựng bởi nhóm Mornach trường CMU [17,31] Với các hỗ trợ mô phỏng này, NS2 được dùng rộng rãi trong nghiên cứu mạng MANET Đặc biệt, việc mở rộng các chức năng mô phỏng mạng MANET của NS2 nằm trong mối quan tâm và chủ đề thảo luận của nhóm làm việc MANET, tổ chức IETF [12]

Về thiết kế chung, NS2 là bộ mô phỏng vận hành theo các sự kiện rời rạc (Discrete Event-Drivent Simulator) [17] Để thực hiện điều đó, NS2 sử dụng một hàng đợi chứa các sự kiện được sắp xếp theo thứ tự thời gian xảy ra Bộ lập lịch sự kiện quản lý thời gian mô phỏng và cho thi hành các sự kiện trong hàng đợi sự kiện tại thời điểm được lập lịch và gọi tới thành phần mạng thích hợp Ví dụ, một thành phần chuyển mạch mạng (switch) được mô phỏng với thời gian trễ chuyển mạch là

20 ms, gói tin qua chuyển mạch sẽ được làm trễ 20 ms trước khi phát ra đường ra thích hợp

Để tối ưu hóa việc chạy mô phỏng và mở rộng, NS2 sử dụng mô hình lập trình phân tách, hướng đối tượng gồm hai thành phần: C++ được dùng để phát triển hạt nhân của bộ mô phỏng (bộ lập lịch sự kiện, các đối tượng thành phần mạng cơ bản)

để làm giảm thời gian xử lý gói tin và các sự kiện là thời gian không tính vào thời gian mô phỏng; OTcl thực hiện việc định cấu hình và điều khiển mô phỏng

NS2 có thể thoã mãn các nhu cầu của người nghiên cứu mạng với các hỗ trợ như sau [19]:

• Khả năng trừu tượng hóa: Người nghiên cứu có thể nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiều mức khác nhau, từ chi tiết hành vi của một giao thức đơn lẻ cho đến sự kết hợp của nhiều luồng dữ liệu và tương tác của nhiều giao thức

Do vậy, cho phép so sánh dễ dàng các kết quả chi tiết và trừu tượng

• Khả năng tương tác với mạng thực: cho phép chương trình mô phỏng đang chạy tương tác với các nút mạng thực sự, đang hoạt động

• Khả năng tạo ngữ cảnh: Việc kiểm chứng các giao thức dưới các điều kiện mạng thích hợp là quan trọng để đạt được các kết quả hợp lệ và hữu ích NS2 hỗ trợ khả năng tạo tự động các mẫu lưu lượng, hình trạng mạng phức tạp

và các sự kiện động như lỗi liên kết để tạo các ngữ cảnh mạng theo yêu cầu của người nghiên cứu

• Khả năng trực quan hóa: Người nghiên cứu cần các công cụ để giúp hiểu được các hành vi phức tạp trong mô phỏng mạng Với công cụ NAM người nghiên cứu có thể hiển thị động, trực quan về giao thức và do đó dễ dàng gỡ rối các giao thức

• Khả năng mở rộng được: Bộ mô phỏng cho phép mở rộng dễ dàng các chức năng mới và do đó cho phép thực hiện các nghiên cứu về giao thức mới

3.3 Thiết lập mạng MANET mô phỏng trong NS2

3.3.1 Mô phỏng mạng không dây di động

3.3.1.1 Nút di động mô phỏng

Cấu tạo nút di động mô phỏng trong NS2 được cho trong hình 7 [31] Các thành phần mạng chính được dùng để cấu trúc nên tầng giao thức cho mỗi nút di động gồm có kênh (channel), giao tiếp mạng (network interface), mô hình truyền sóng vô tuyến (radio propagation model), các giao thức MAC, hàng đợi giao diện (interface queue), lớp liên kết (link layer), mô hình giao thức phân giải địa chỉ ARP

và thành phần định tuyến (routing agent)

Hình 7: Nút di động mô phỏng trong NS2

a/ Mô phỏng lớp vật lý thực

Đặc tả của mô hình phát sóng trong NS2 tương tự như giao tiếp sóng vô tuyến Lucent’s WaveLAN với tốc độ bit danh định có thể đạt tới 2,5Mb/s và phạm vi truyền sóng vô tuyến là 250m Mô hình cũng thể hiện độ trễ truyền và cảm nhận sóng mang

b/ Mô phỏng lớp MAC

Lớp liên kết của bộ mô phỏng cài đặt hoàn chỉnh chuẩn giao thức MAC của IEEE 802.11 DCF (Distributed Coordination Function) 802.11 là giao thức CSMA/CA, hỗ trợ hoạt động tiết kiệm năng lượng và bảo mật Một trong các đặc điểm quan trọng nhất của 802.11 là chế độ MANET cho phép xây dựng các mạng WLAN không có cơ sở hạ tầng

c/ Mô phỏng giao thức phân giải địa chỉ ARP: giao thức ARP dịch địa chỉ IP thành địa chỉ phần cứng MAC Việc này được thực hiện trước khi gói tin được gửi tới lớp MAC

d/ Hàng đợi giao diện: Mỗi nút có hàng đợi các gói tin đang chờ để được truyền bởi giao diện mạng Hàng đợi được cài đặt là DropTail và có khả năng chứa

3.3.1.2 Mô hình phương tiện chia sẻ

Mô hình không dây được dựa trên phương tiện chia sẻ (Ethernet trong không khí) (hình 8) [31] Tất cả các nút di động có một hoặc nhiều giao diện mạng kết nối vào một kênh Kênh là một dải tần số vô tuyến cụ thể với lược đồ điều biến và mã