Định tuyến trong mạng vô tuyến AD Hoc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 NGUYỄN VĂN MINH ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH HÀ NỘI, 2013 NGUYỄN VĂN MINH CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH KHÓA 15 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 NGUYỄN VĂN MINH ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Tân Ân HÀ NỘI, 2013 1 LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy giáo hướng dẫn, PGS.TS Nguyễn Tân Ân, người đã tận tình dẫn dắt và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đại học sư phạm Hà Nội 2, đã trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin chân thành cám ơn các anh chị lớp cao học Khoa học máy tính K15, các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp đã luôn bên cạnh, động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. Xin chân thành cám ơn! Học viên Nguyễn Văn Minh 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép ở bất kỳ công trình khoa học nào trước đây. Các kết quả nêu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng và được trích dẫn đầy đủ. Nếu có gì gian dối, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Học viên Nguyễn Văn Minh 3 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2 MỤC LỤC 3 BẢNG KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 5 MỞ ĐẦU 6 NỘI DUNG 8 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 8 1.1. Giới thiệu chung 8 1.2. Phân loại mạng không dây 9 1.3. Mạng cá nhân WPAN [5]-[7]-[8]-[12] 10 1.4. Mạng cục bộ WLAN (Wireless Local Area Network) [5]-[7]-[8]-[12] 11 1.5. Mạng đô thị không dây WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) [7]- 24 1.6. Tóm tắt 26 Chương 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC 27 2.1. Giới thiệu về định tuyến trong mạng Ad hoc [9]-[10]-[11]-[12] 27 2.2. Các yêu cầu đối với thuật toán định tuyến cho mạng Ad hoc không dây 29 2.3. Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng Ad Hoc [11]-[12] 33 2.4. Định tuyến theo vecter khoảng cách tuần tự đích (DSDV - Destination Sequenced Distance Vector) [4]-[5]-[10]-[11]-[12] 34 2.5. Giao thức DSR (định tuyến nguồn động) [5]-[10]-[11] 44 2.6. Giao thức TORA (thuật toán định tuyến thứ tự tạ M thời) 55 2.7 Giao thức AODV (giao thức Vector khoảng cách theo yêu cầu) [5]-[11] 60 2.8. Tóm tắt 69 Chương 3. THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 70 3.1. Bộ mô phỏng mạng NS2 [2]-[15]-[20] 70 3.2. Mô phỏng & đánh giá các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc theo chuẩn IEEE 802.11 [18]-[20]-[21] 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 4 BẢNG KÝ HIỆU CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement AES Advanced Encryption Standard AODV Ad Hoc On-Demand Distance Vector AP Access Point ATIM Ad-hoc Traffic Indication Map BSS Basic Service Set BSSID Basic Service Set Identifier CCK Complementary Code Keying CCA Clear Channel Assessment CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect CTS Clear To Send COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing CW Contention Window DCF Distributed Coordination Function DIFS DCF Interframe Space DS Destination Station DSDV Destination Sequenced Distance Vector DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum DTIM Delivery Traffic Indication Map EIRP Effective Isotropic Radiated Power FCC Federal Communication Commission FEC Forward Error Correction FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum GFSK Gaussian shaped FSK Frequency Shift Keying HEC Header Error Check IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IARP Intrazone Routing Protocol ISM Industry Scientific Medical ISM Industrial, Scientific and Medical band IERP Interzone Routing Protocol LAN Local Area Network 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1.1. Tổng quan về các chuẩn mạng không dây 11 Hình 1.2. Mô hình mạng Ad hoc gồm 7 nút 22 Hình 1.3. Mạng Ad hoc điển hình 22 Hình 2.1. Phân chia vùng trong mạng Ad Hoc 34 Hình 2.2. Phân loại các giao thức định tuyến mạng Ad hoc 36 Hình 2.3. Sự chuyển động của mạng Ad-hoc40 Bảng 2.1. Cấu trúc bảng định tuyến truyền đi của MH 4 41 Bảng 2.2. Bảng định tuyến quảng bá của MH4 42 Bảng 2.3. Bảng định tuyến truyền đi của MH4 đã cập nhật 42 Bảng 2.4. Bảng định tuyến quảng cáo của MH4 (đã cập nhật) 43 Hình 2.4. Các tuyến thay đổi thất thƣờng 45 Hình 2.5: Phát hiện tuyến: nút A là nút khởi đầu và nút E là nút đích 49 Hình 2.6. Những giới hạn trong việc lƣu thông tin định tuyến overhead: nút mạng C từ gửi các gói tới E và các gói overhear từ X 52 Hình 2.7. Ví dụ về hồi âm RR sử dụng các tuyến đã lƣu 53 Hình 2.8. Nút mạng C thông báo tuyến nguồn tới D có thể là ngắn nhất, khi nó tình cờ nghe đƣợc một gói từ A đầu tiên định tới B 54 Hình 2.9. Các nút mạng kết nối thông qua các sóng ngắn 56 Hình 2.10. Mô tả khái niệm thiết lập hƣớng của DAG 58 Hình 2.11. Hoạt động của TORA 62 Hình 2.12. Sự hình thành tuyến ngƣợc và tiếp theo 68 Hình 3.1. Đơn giản hoá cách nhìn của ngƣời sử dụng 73 Hình 3.2. Tính đối ngẫu của C++ và Otcl 74 Hình 3.3. Kiến trúc chung của NS 74 Hình 3.4. Một mô hình kịch bản mô phỏng 82 Hình 3.5. Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin của các giao thức 84 Hình 3.6. Khả năng truyền gói tin của các giao thức 85 Hình 3.7. Tối ƣu về đƣờng đi 86 6 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ thông tin đang ngày càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống xã hội như kinh tế, giáo dục, xây dựng, y học, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào giải quyết các công việc thì Internet ngày càng khẳng định được vị trí quan trọng của mình trong cuộc sống xã hội thời hiện đại. Khi cuộc sống con người ngày càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin của con người ngày càng cao. Con người muốn mình có thể được kết nối với thế giới vào bất cứ lúc nào, từ bất cứ nơi đâu mà không cần phải có đường nối. Đó chính là lý do mà mạng không dây ra đời. Ngày nay, chúng ta có thể thấy được sự hiện diện của mạng không dây ở nhiều nơi như trong các tòa nhà, các công ty, bệnh viện, trường học hay thậm trí là các quán cà phê. Cùng với sự phát triển của mạng có dây truyền thống, mạng không dây cũng đang có những bước phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin và truyền thông của con người một cách tốt nhất. Khi mà mạng không dây đang ngày càng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu và phát triển thì ngày càng nhiều mô hình, kiến trúc mạng được đề xuất bởi các nhà khoa học, các hội nghị. Song song với sự phát triển của mạng không dây, mạng WLAN được chia ra thành hai mô hình chính đó là mô hình mạng không dây có cơ sở hạ tầng và mô hình mạng không dây không có cơ sở hạ tầng Ad Hoc Các mô hình, kiến trúc mạng này được đưa ra nhằm làm cho mạng không dây dần thoát khỏi sự phụ thuộc hoàn toàn vào mạng cơ sở hạ tầng. Một trong những mô hình mạng được đề xuất đó chính là mạng Ad Hoc thường được viết tắt là MANET. Việc các mạng không dây ít phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng là một điều rất thuận lợi nhưng lại có những vấn đề khác đặt ra như tốc độ truyền thông không cao, mô hình mạng không ổn định như mạng có dây truyền thống do các nút mạng hay di chuyển, năng lượng cung cấp cho các nút mạng thường chủ yếu là pin Do đó, cùng với vấn đề bảo mật của mạng không dây thì vấn đề định tuyến trong mạng vô tuyến Ad Hoc cũng là vấn đề vô cùng quan trọng. Nó quyết định rất lớn đến hiệu 7 năng hoạt động của toàn hệ thống mạng. Do đó trong khuôn khổ của một luận văn thạc sĩ, tôi chọn đề tài Định tuyến trong mạng vô tuyến Ad Hoc nhằm tìm hiểu về mạng không dây nói chung và mạng Ad Hoc, trên cơ sở đó nghiên cứu sâu về các giao thức định tuyến của mạng này. 2. Mục đích nghiên cứu: - Tìm hiểu về lịch sử phát triển của mạng Ad hoc cũng như những công nghệ hiện đang được sử dụng trong mạng vô tuyến ad hoc. - Nghiên cứu chi tiết về các giao thức định tuyến mạng vô tuyến Ad Hoc - Nghiên cứu, xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá các giao thức trong mạng vô tuyến ad hoc. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Hiểu về về lịch sử phát triển của mạng Ad hoc cũng như những công nghệ hiện đang được sử dụng trong mạng vô tuyến ad hoc - Trình bày chi tiết về các giao thức định tuyến mạng vô tuyến Ad Hoc - Xây dựng được chương trình mô phỏng đánh giá mạng vô tuyến ad hoc. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Các giao thức định tuyến trong mạng vô tuyến ad hoc. 5. Giả thuyết khoa học (hoặc: Dự kiến đóng góp mới, nếu đề tài không thuộc chuyên ngành Giáo dục học). 6. Phƣơng pháp nghiên cứu: Tiếp cận các tài liệu, thông tin: tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu, các thông tin cần thiết có liên quan trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, báo, đài, internet… Tiếp cận thực tiễn: tìm hiểu thực trạng quá trình định tuyến trong mạng vô tuyến ad hoc. [...]... triển của mạng Ad hoc cũng như những công nghệ hiện đang được sử dụng trong mạng vô tuyến Ad hoc Bên cạnh đó vấn đề định tuyến trong mạng Ad hoc là vấn đề rất đáng được quan tâm vì nó quyết định trực tiếp đến hiệu năng của mạng, vấn đề đó đã làm định hướng cho việc nghiên cứu các chương tiếp theo 27 Chương 2 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC 2.1 Giới thiệu về định tuyến trong mạng Ad hoc [9]-[10]-[11]-[12]... cho mạng dễ phát triển dễ dàng, tốc độ phát triển của mạng nhanh Những thách thức đối với mạng Ad- Hoc: 20 - Chi phí cho việc sử dụng phổ tần số - Việc định tuyến - Hiệu quả sử dụng nguồn điện - Giao thức điều khiển truyền - Định vị cung cấp và truy nhập dịch vụ Hình 1.2 Mô hình mạng Ad hoc gồm 7 nút 1.4.5.2 Một số mạng Ad hoc điển hình Hình 1.3 Mạng Ad hoc điển hình 21 Hình trên mô tả một mạng Ad hoc. .. thuật liên kết bảo dọa về an ninh mạng Như là một lợi ích, sự phân cấp kiểm soát trong mạng Ad- Hoc cung cấp mạnh mẽ các bổ sung chống lại điểm lỗi duy nhất hơn là phương pháp tập trung Đặc điểm chính của mạng Ad- Hoc đó là: Sử dụng phân quyền cho các nút mạng Các nút mạng tự nó sắp xếp tuyến và tự nó triển khai tuyến, mạng Ad- Hoc là một mạng có cấu trúc mạng động Mạng Ad- Hoc không có đường truyền chuyên... lên lặp vòng tuyến tiêu tốn rất nhiều nguồn tài nguyên và gây thiệt hại cho mạng Thậm chí một 29 tuyến lặp vòng chỉ xảy ra trong chốc lát cũng gây nguy hại cho mạng Do đó phải tuyệt đối tránh việc lặp vòng định tuyến Với những mục đích trên rất nhiều giao thức định tuyến được phát triển trong mạng Ad hoc, trong chương này sẽ trình bày một số giao thức định tuyến tiêu biểu trong mạng Ad hoc 2.2 Các yêu... mạng Ad Hoc Đó là việc các router liên tục gửi quảng bá định kì đến các nút mạng trong mạng Việc gửi quảng bá định tuyến định kì gây ra hai vấn đề sau: Thứ nhất, nó sẽ gây lãng phí băng thông cho các nút mạng trong mạng Ad Hoc Có những khi không có sự thay đổi nào trong mạng nhưng các router vẫn tiếp 30 tục gửi các cập nhật thông tin định tuyến theo định kì làm các nút mạng phải tính toán lại các tuyến. .. một vùng mạng nhỏ thì sẽ rất thuận tiện trong định tuyến Nếu các nút mạng đơn di chuyển nhanh hơn thì các vùng mạng lại ổn định hơn Do đó, định tuyến trong các vùng mạng sẽ đơn giản hơn rất nhiều Hình 2.1 Phân chia vùng trong mạng Ad Hoc Bảo mật: Giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc có thể bị tấn công dễ dàng ở một số dạng như đưa ra các cập nhật định tuyến không chính xác hoặc ngăn cản việc chuyển... thiết bị - Đặc trưng lưu lượng mạng - Di chuyển của các nút trong một tuyến Ƣu điểm của mạng Ad- Hoc Trong mạng cơ bản thì cơ sở hạ tầng, các trạm trung gian, thu phát sóng là yếu tố quan trọng quyết định chất lượng của mạng, còn trong mạng Ad- Hoc các nút mạng kết nối thông qua các nút mạng ( không cần đến các trạm thu phát), các nút mạng có thể di chuyển tự do trong cấu trúc mạng do đó nó có tính chất... thông tin định tuyến trong mạng, cho dù các thông tin đó là không nguy hiểm nhưng cũng gây tốn băng thông và năng lượng, vốn là những tài nguyên ”quý hiếm” 33 trong mạng Ad Hoc Do vậy cần có những phương pháp bảo mật thích hợp để ngăn chặn việc sửa đổi hoạt động của giao thức 2.3 Phân loại các thuật toán định tuyến cho mạng Ad Hoc [11]-[12] Có rất nhiều giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc Ứng với... được với các nút mạng nhận tín hiệu là khó tránh khỏi, nếu có liên kết được thì đó cũng chỉ là những liên kết yếu, không ổn định Do đó, giao thức định tuyến thông thường không thể hoạt động tiết kiệm năng lượng trong môi trường mạng Ad hoc không dây Một đặc điểm nữa của mạng Ad Hoc làm chúng ta không thể áp dụng được các thuật toán định tuyến thông thường cho nó Đó là trong mạng Ad Hoc tồn tại nhiều... với thuật toán định tuyến cho mạng Ad hoc không dây Như đã trình bày ở trên, do các đặc điểm khác biệt của mạng Ad hoc, chúng ta không thể áp dụng các thuật toán định tuyến truyền thống như Trạng thái đường liên kết (Link State) hay Véctơ khoảng cách (Distance Vector) cho mạng Ad Hoc được Cả hai thuật toán này đều yêu cầu các router quảng bá thông tin định tuyến theo kiểu định kì, các tuyến đường giữa . thức định tuyến mạng vô tuyến Ad Hoc - Xây dựng được chương trình mô phỏng đánh giá mạng vô tuyến ad hoc. 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Các giao thức định tuyến trong mạng vô tuyến ad hoc. . sử phát triển của mạng Ad hoc cũng như những công nghệ hiện đang được sử dụng trong mạng vô tuyến ad hoc. - Nghiên cứu chi tiết về các giao thức định tuyến mạng vô tuyến Ad Hoc - Nghiên cứu,. 1.5. Mạng đô thị không dây WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) [7]- 24 1.6. Tóm tắt 26 Chương 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN AD HOC 27 2.1. Giới thiệu về định tuyến trong mạng Ad hoc