Đặt gateway hiệu quả trong mạng wireless mesh network

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐINH HỮU NGHĨA ĐẶT GATEWAY HIỆU QUẢ TRONG MẠNG WIRELESS MESH NETWORK LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐINH HỮU NGHĨA ĐẶT GATEWAY HIỆU QUẢ TRONG MẠNG WIRELESS MESH NETWORK Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ TRỌNG VĨNH Hà Nội – 2010 MỤC LỤC BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3 CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 5 1. Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu. 5 1.1 Mạng lưới không dây là gì? 5 1.2. Tương lai phát triển các mạng cục bộ 6 1.3. Kiến trúc của mạng lưới không dây 7 1.4. Các vấn đề của mạng WMN 11 2. Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN. 13 CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY 15 1. Giới thiệu 15 2. Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán 16 2.1 Topology mạng 16 2.2 Mô hình truyền 17 2.3 Thông lượng 18 3. Đặt Gateway theo trọng số Multi-Hop Traffic-Flow Weight (MTW) 19 3.1 MTW 20 3.2 Chia sẻ hiệu suất sử dụng các Gateway 21 4. Lập chương trình lưu lượng cho việc tính toán thông lượng 24 4.1 Thông lượng trong truyền thông lõi 25 4.2 Thông lượng trong truyền thông cục bộ 28 4.3 Thông lượng khả thi trong WMN 29 5. Đánh giá thuật toán 30 CHƯƠNG 3 ĐẶT GATEWAY SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PSO 32 1. Giới thiệu về thuật toán PSO 32 2. Thuật toán PSO cho bài toán đặt gateway 35 3. Kết quả mô phỏng, nhận xét và đánh giá 37 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 1. WPAN : Wireless Personal-Area Network 2. WLAN : Wireless Local-Area Network 3. WMAN : Wireless Metropolitan-Area Network 4. WWAN : Wirelss Wide-Area Network 5. WMN : Wireless Mesh Network 6. SRD : Slot Reuse Distance 7. CRF : Cell Reuse Factor 8. PSO : Particle Swarm Optimization LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi triển khai mạng. Trong thực tế thường được phân chia thành các loại mạng: mạng cá nhân WPAN, mạng nội bộ WLAN, mạng đô thị WMAN, mạng diện rộng WWAN. Tính chất của mỗi loại mạng được cấu thành thông qua một tập các tham số về băng thông, phạm vi mạng, năng lượng tiêu thụ,… Trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được tính chất của mạng. Kỹ thuật mạng lưới không dây Wireless Mesh Network (WMN) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn. Kỹ thuật mạng lưới không dây có thể được ứng dụng trong các ngữ cảnh mà không thể sử dụng mạng có dây để thay thế hoặc nếu thay thế được thì phải trả chi phí rất lớn. Mạng hình lưới không dây được ứng dụng để triền khai nhiều dịch vụ thiết thực phục vụ cuộc sống như là các ứng dụng trong giao thông công cộng, doanh nghiệp, điều khiển tự động, y tế, quan sát an ninh. Có rất nhiều các vấn đề mở cần được nghiên cứu trong mạng WMN. Thông lượng là một trong những thành phần chủ yếu nhằm đảm bảo các dịch vụ của mạng WMN để thỏa mãn được yêu cầu của các khách hàng. Trong đó, rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vị trí đặt các gateway ảnh hưởng rất lớn đến thông lượng của mạng [1]. Do vậy, việc tối ưu hóa vị trí đặt cổng là rất quan trọng - một cách đặt các gatewaytốt sẽ mang lại thông lượng tốt hơn nhiều. Chính vì lẽ đó, luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề đặt gateway trong mạng WMN sao cho mạng sẽ đạt được hiệu quả cao nhất. CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu. 1.1 Mạng lưới không dây là gì? Mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network) bao gồm các router và các client kết nối với nhau như trong hình 1. Các router hình thành cơ sở hạ tầng mạng - được gọi là mesh backbone – cung cấp sự truy cập mạng cho các clients. Các thiết bị này thường không bị ràng buộc về năng lượng, khả năng tính toán, bộ nhớ và hoạt động như những thiết bị chuyển mạch thông minh. WMN có tất cả các ưu điểm của các mạng không dây ad-hoc và có thêm nhiều ưu điểm mở rộng nhờ kỹ thuật kiến trúc cơ sở hạ tầng. Mesh backbone có thể triển khai nhanh chóng với giá thành thấp nhưng là một hệ thống hiệu quả, thực tế, mềm dẻo và mạnh để hỗ trợ việc truy cập mạng cho các client. Mesh backbone có thể cung cấp cho các client nhiều dịch vụ và tài nguyên khác nhau thông qua các chức năng gateway (cổng mạng) và bridging (cầu nối). Hình 1. Mạng WMN Những thuận lợi này nhấn mạnh rằng, WMN là công nghệ hứa hẹn cho một số lượng lớn các ứng dụng như là mạng gia đình, mạng cộng đồng hay tập đoàn, truy nhập internet công cộng… tốc độ cao. 1.2. Tương lai phát triển các mạng cục bộ Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ mạng không dây trong những năm gần đây đã cho phép người sử dụng chủ động trong việc lựa chọn giải pháp thích hợp khi triển khai mạng. Mỗi công nghệ mạng không dây được thiết kế để hoạt động ở một phạm vi nhất định và được phân loại theo khả năng phủ sóng của từng công nghệ. Trong thực tế mạng không dây thường được phân chia thành: Mạng cá nhân WPAN (Wireless Personnal Area Network), mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network), mạng đô thị WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) và mạng diện rộng WWAN (Wireless Wide Area Network). Trong các ứng dụng mạng không dây phạm vi vừa và nhỏ, công nghệ WLAN (IEEE 802.11) vẫn là một giải pháp hoàn toàn phù hợp về đặc điểm kỹ thuật cũng như chi phí sử dụng. Tuy nhiên, do hạn chế về tầm phủ sóng, công nghệ WLAN truyền thống không thể đáp ứng được các ứng dụng cần mở rộng mạng. Vì vậy, trên cơ sở các yếu tố công nghệ có sẵn của công nghệ không dây chuẩn, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng được giải pháp kết nối để tạo ra mạng có phạm vi phủ sóng cao hơn nhưng vẫn đảm bảo được các tính chất của mạng. Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN (Wireless Mesh Network) có thể được coi là một giải pháp tốt cho vấn đề đặt ra, nhằm mở rộng phạm vi phủ sóng cho các mạng WLAN chuẩn. Trong những năm gần đây, mạng lưới không dây (WMN) đã được sử dụng như là giải pháp chủ yếu cho việc mở rộng kết nối Internet cho các nút di động. Nhiều thành phố ở Mỹ (Medford, Oregon; Chaska, Minnesota; và Gilbert, Arizona) đã triển khai mạng lưới không dây. Một vài công ty như MeshDynamic gần đây đã thông báo sự sẵn sàng của công nghệ mạng lưới đa hop (số lần chuyển đổi) đa sóng. Những mạng này xử lý gần giống mạng có dây, chúng hiếm khi có thay đổi về topo, các nút bị lỗi được giảm đi… Với các mạng lưới không dây, toàn bộ lưu lượng tải của mỗi nút định tuyến cũng ít thay đổi. Một trong những vấn đề chính phải đối mặt của mạng không dây là sự suy giảm thông lượng vì sự giao thoa gây ra nhiễu của những đường truyền đồng thời. Sử dụng nhiều kênh và nhiều sóng có thể làm giảm bớt nhưng không khử hoàn toàn được nhiễu. 1.3. Kiến trúc của mạng lưới không dây 1.3.1. Các thành phần của mạng lưới không dây Công nghệ mạng WLAN được áp dụng để triển khai mạng không dây diện rộng thông qua một số cải tiến về phần cứng và phần mềm trên các chuẩn 802.11a, 802.11b có dải tần khác nhau. Kỹ thuật mạng hình lưới không dây WMN có thể được ứng dụng cho nhiều kiểu hạ tầng mạng không dây khác nhau và một trong số đó là mạng không dây cục bộ WLAN. Trong kỹ thuật mạng hình lưới, có các khái niệm: - Nút (Node): Gồm có router và/hoặc các client (máy tính, PDA,…). - Nút đường lên (Uplink Node): Nút kết nối tới mạng Internet thông qua đường truyền hữu tuyến để cung cấp kết nối Internet cho toàn mạng. - Nút đường xuống (Downlink Node): Nút kết nối tới mạng và có khả năng phục vụ cả kết nối hữu tuyến và vô tuyến cho mạng. - Nút lặp (Repeater Node): Nút kết nối vào mạng và không dùng để phục vụ các client chỉ đóng vai trò là nút trung gian khôi phục và lặp tín hiệu. 1.3.2. Mô hình kết nối Mạng lưới không dây sử dụng các mô hình kết nối cơ bản như sau: - Điểm – Điểm (Point-to-Point): Là kiểu kết nối đơn giản nhất, hai nút truyền thông qua hai anten thu phát công suất cao hướng trực tiếp với nhau như hình 2. - Điểm – Đa điểm (Point-to-Multipoints): Kết nối được chia sẻ giữa nút đường lên dùng anten đa hướng với các nút đường xuống (hoặc các nút lặp) với anten thu công suất cao. Cấu hình mạng này dễ triển khai hơn cấu hình Điểm – Điểm vì khi thêm một thuê bao mới chỉ cần lắp đặt thêm thiết bị tại khu vực thuê bao chứ không phải lắp tại nút đường lên. Tuy vậy, các trạm thu phải nằm trong phạm vi phủ sóng và có đường nhìn thẳng với trạm phát sóng gốc. Các vật cản như cây cối, nhà cửa, đồi núi… sẽ góp phần làm cấu hình mạng lưới Điểm – Đa điểm hoạt động không hiệu quả như hình 3. - Đa điểm – Đa điểm (Multipoints–to-Multipoints): Mỗi nút có vai trò không chỉ là điểm truy nhập cho các trạm mà còn làm nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu. Cấu hình này có độ tin cậy mạng cao nhất do các nút có sự liên thông với nhau, một nút chỉ cần có kết nối với một nút bất kỳ mà không cần phải có kết nối trực tiếp với nút đường lên như trong cấu hình Điểm – Đa điểm, là có thể kết nối với toàn mạng. Tuy nhiên, đổi lại giao thức tìm đường của mạng sẽ có độ phức tạp cao hơn như hình 4. Ưu điểm của mô hình lưới đó là độ tin cậy cao vì các kết nối mạng không phụ thuộc vào bất kỳ node nào. Nếu một node của mạng bị trục trặc, các node có thể tương tác với một node khác thông qua node trung gian. Mô hình này cũng thích hợp cho các mạng lớn như mạng WAN vì nó cho phép nhiều vị trí trên mạng lớn kết nối đến một nơi tin cậy khác. [...]... WiFi, mạng WMN còn gặp nhiều thách thức cần phải vượt qua, một trong các vấn đề đó còn là vấn đề kết nối, mở rộng mạng để tạo ra nhiều ứng dụng rộng Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN Nhiều vấn đề nghiên cứu vẫn còn mở trong WMNs [2] Trong đó, bài toán đặt gateway là một trong những thách thức lớn nhất và cũng là một bài toán quan trọng Có một vài kết quả nghiên cứu tương tự trong mạng có... đặt gateway phải phù hợp với số gateway được triển khai Số gateway được triển khai nhỏ thì số bước để gói tin đến được gateway lớn, và lưu lượng tải tại mỗi gateway cũng cao Do đó, các thuật toán đặt cân bằng hình học, đặt theo quy luật có thể đạt được các kết quả khá tốt do chúng có thể giảm một cách hiệu quả số bước trung bình Trong trường hợp ngược lại, khi số gateway được triển khai lớn, việc đặt. .. toàn diện hơn được yêu cầu để giải quyết bài toán đặt các node trong mạng lõi trong mạng không dây đa bước Gần đây hơn, Bejerano [9] đã nghiên cứu việc đặt gateway trong mạng không dây đa bước mà các node mạng được phân tách thành một số cluster rời rạc nhằm thỏa mãn sự ràng buộc về thông lượng và độ trễ Nhiều bài toán đặt gateway hoặc các node của mạng lõi được đề xuất cho WMNs [10~13] Tuy nhiên,... lượng trong truyền thông lõi bằng cách giảm một cách hiệu quả số bước trung bình đề mỗi client có thể truy nhập đến gateway và tải lưu lượng trên các gateway đó Tuy nhiên, những lợi ích trên có thể bị giảm đột ngột nếu đặt gateway không phù hợp, do các gateway mới có thể gây nhiễu nhiều hơn các gateway đang tồn tại Do đó, thuật toán đặt gateway tốt nhất nên không chỉ cải thiện lưu lượng tải của mạng. .. router Nr và số gateway Ng 2 Nhu cầu traffic từ các client 3 Vị trí của các gateway đang tồn tại trong mạng 4 Nhiễu từ các gateway đang tồn tại Các yếu tố 1 đến 3 trong MTW sẽ được thảo luận trong phần 3.1, và mối quan hệ giữa nhân tố 4 với MTW dựa trên thuật toán đặt gateway sẽ được giải thích trong khi xây dựng MTW trong phần 3.1 và 3.2 3.1 MTW Bước đầu thuật toán đưa ra một biến kí hiệu Rg gọi là... độ đo hiệu năng sử dụng MTW Tuy nhiên các gateway được đặt lần lượt nên việc đặt gateway trước sẽ ảnh hưởng tới việc đặt các gateway sau Hơn nữa thuật toán cũng chưa quan tâm đến trực tiếp đến thông lượng cần tối ưu trong các bước để tìm vị trí đặt gateway một cách tốt nhất Vì vậy trong chương tiếp theo của luận văn này, chúng tôi đưa ra một phương pháp đặt gateway mới dựa trên thuật toán tối ưu bầy... nên vị trí của các gateway trước có ảnh hưởng đến vị trí của các gateway đặt sau Trong luận văn này, vị trí các gateway được tìm kiếm theo thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) Các vị trí được sinh ngẫu nhiên và độc lập, được cập nhật từng bước theo những phương thức tốt nhất nên nhanh chóng tìm được kết quả tối ưu hơn hẳn cho bài toán CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY Giới thiệu Để phát triển... truyền các packet trong các client, các router và các gateway Các kết quả số dựa trên mô hình tính toán thông lượng chỉ ra rằng thuật toán đặt gateway theo MTW trong [15] cải tiến đáng kể hiệu năng thông lượng của WMNs Các nghiên cứu so sánh cũng được thực hiện để so sánh kế hoạch được đề xuất với các kế hoạch khác như đặt ngẫu nhiên, đặt theo quy luật và đặt router bận nhất Các kết quả thu được chứng... gateway được triển khai lớn, việc đặt gateway trong các vùng chiếm hầu hết lưu lượng tải có thể là giải pháp tốt nhất Trong phần này, một thuật toán đặt gateway mới được giới thiệu Nó nắm giữ tất cả những những lợi ích được đề cập ở trên Trong thuật toán, một trọng số dòng lưu lượng kí hiệu là MTW(j) được tính lặp trên router Rj, j=1…Nr Mỗi lần một gateway mới sẽ được đặt trên router có trọng số cao nhất... node cho các mạng ad hoc tĩnh Khả năng thông lượng của các mạng ad hoc di động được phân tích bởi Grossglauser và Tse [18] Khả năng của các mạng ad hoc lai được nghiên cứu trong [19, 20, 21] Tất cả các kết quả nghiên cứu về phân tích thông lượng không thể áp dụng trong WMNs, bởi vì kiến trúc mạng WMNs khác nhiều so với các mạng ad hoc thông thường hoặc mạng ad hoc lai Việc phân tích tiệm cận trong khả . Kiến trúc của mạng lưới không dây 7 1.4. Các vấn đề của mạng WMN 11 2. Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN. 13 CHƯƠNG 2: ĐẶT GATEWAY TRONG MẠNG LƯỚI KHÔNG DÂY 15 1. Giới thiệu 15 2 mở rộng mạng để tạo ra nhiều ứng dụng rộng. Bài toán đặt gateway hiệu quả trong mạng WMN. Nhiều vấn đề nghiên cứu vẫn còn mở trong WMNs [2]. Trong đó, bài toán đặt gateway là một trong những. đề đặt gateway trong mạng WMN sao cho mạng sẽ đạt được hiệu quả cao nhất. CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển của mạng WMN và những yêu cầu tối ưu. 1.1 Mạng lưới không dây là gì? Mạng