báo hiệu trong mạng manet

Tiểu luận Môn học: Báo hiệu và điều khiển kết nối Đề tài: Báo hiệu trong mạng MANET Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Trà Hà Nội. 1 MỤC LỤC 1 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2 LỜI MỞ ĐẦU 4 I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 1.1. Lịch sử phát triển 5 1.2. Khái niệm mạng MANET 5 1.3. Đặc điểm của mạng Manet 7 1.4. Ứng dụng phổ biến của mạng Manet 9 1.5. Phân loại Manet 9 1.5.1 Phân loại MANET theo cách thức định tuyến 9 1.5.2 Phân loại MANET theo chức năng node 11 1.6. Kết luận chương 12 II. BÁO HIỆU TRONG MANET 2.1. Báo hiệu mạng và các khái niệm liên quan 13 2.1.1. Báo hiệu trong các mạng tùy biến di động 14 2.1.2. Báo hiệu soft-state 15 2.1.3. Báo hiệu trong các giao thức định tuyến proacitve 18 2.2. Giao thức báo hiệu INSIGNIA. 23 2.2.1. Các đại lượng điều khiển giao thức 23 2.2.2. Các thuật toán xử lý báo hiệu 28 2.3. Tổng kết chương 2 40 TỔNG KẾT 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 2 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh đầy đủ Ngĩa Tiếng Việt AODV Ad hoc On Demand Distance Vector Định tuyến vector khoảng cách tùy biến theo yêu cầu BE Best Effort Nỗ lực tối đa BL Base Layer Lớp cơ sở CPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm DARPA Defense Advanced Research Projects Agency Cơ quan phụ trách các dự án nghiên cứu cao cấp về quốc phòng EL Enhancement Layer Lớp nâng cao EQ Equalization Bộ cân bằng IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IP Internet Protocol Giao thức Internet MANET Mobile Ad hoc Network Mạng tùy biến di động MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NRO Normalised Routing Overhead Chi phí định tuyến chuẩn hóa OLSR Optimized Link State Routing ĐỊnh tuyến trạng thái liên kết tối ưu PDR Packet Delivery Ratio Tỷ lệ phân phối gói tin PDA Personal Digital Assistant Máy trợ lý cá nhân dùng kỹ thuật số QoS Quality Of Service Chất lượng dịch vụ RES Remote Entry Services Các dịch vụ truy nhập từ xa RT Real Time Thời gian thực RSVP Resource Reservation Protocol Giao thức dành trước tài nguyên TTL Time To Live Thời gian sống 3 4 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự bùng nổ, phát triển mạnh mẽ của các thiết bị di động cá nhân như: laptop, pocket PC,PDA, điện thoại di động,…, 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. Mạng tùy biến di động – 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. 5 I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 1.1. Lịch sử phát triển Mobile Ad-hoc Network – MANET trước đây còn được gọi là mạng vô tuyến gói, và được tài trợ, phát triển bởi DARPA trong đầu thập niên 1970. Sau đó có nhiều mạng vô tuyến gói tin phát triển nhưng các hệ thống không dây này vẫn chưa bao giờ tới tay người dùng cho đến khi chuẩn 802.11 ra đời. IEEE đã đổi tên mạng vô tuyến gói tin thành mạng Adhoc. Mobile Ad-hoc Network đã được định nghĩa bởi IETF. 1.2. Khái niệm mạng MANET Các thiết bị di động như các máy tính xách tay, với đặc trưng là công suất CPU, bộ nhớ lớn, dung lượng đĩa hàng trăm gigabyte, khả năng âm thanh đa phương tiện và màn hình màu đã trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày và trong công việc. Đồng thời, các yêu cầu kết nối mạng để sử dụng các thiết bị di động gia tăng đáng kể, bao gồm việc hỗ trợ các sản phẩm mạng vô tuyến dựa trên vô tuyến hoặc hồng ngoại ngày càng nhiều. Với kiểu thiết bị điện toán di động này, thì giữa những người sử dụng di động luôn mong muốn có sự chia sẻ thông tin. Mạng tùy biến di động MANET (Mobile Ad hoc network) là một tập hợp các thiết bị di động hình thành nên một mạng tạm thời mà không cần sự trợ giúp của bất kỳ sự quản lý tập trung hoặc các dịch vụ hỗ trợ chuẩn nào thường có trên mạng diện rộng mà ở đó các thiết bị di động có thể kết nối được. Các node được tự do di chuyển và thiết lập nó tùy ý. Do đó, topo mạng không dây có thể thay đổi một cách nhanh chóng và không thể dự báo. Một mạng như vậy có thể vận hành một cách độc lập, hoặc có thể được kết nối tới Internet. Vậy MANET là một tập hợp của những node mạng không dây , những node này có thể được thiết lập tại bất kỳ thời điểm và tại bất cứ nơi nào. Mạng MANET không dùng bất kỳ cơ sở hạ tầng nào. Nó là một hệ thống tự trị mà máy chủ di động được kết nối bằng đường vô tuyến và có thể di chuyển tự do, thường hoạt động như một router. 6 Hình 1.1. Mạng tùy biến di động Mạng không dây giúp các thiết bị di động được sử dụng một cách hiệu quả, thuận tiện hơn vì có những đặc tính nổi bật so với mạng có dây: • Hệ thống mạng không dây có khả năng cơ động cao, các thiết bị có thể di chuyển 1 cách tùy ý mà vẫn có thể truy cập mạng và có thể trao đổi dữ liệu với nhau. • Mạng không dây cho phép dễ dàng bổ sung, thay thế các thiết bị tham gia trong mạng mà không cần phải cấu hình phức tạp lại toàn bộ topo của mạng. • Mạng không dây tỏ rõ ưu thế của nó trong những hoàn cảnh như: hội nghị, hội thảo, hội chợ thương mại, truy cập internet ở những nơi công cộng, … Nó tạo nên một không gian sang trọng, lịch sự, và rất thuận tiện cho những người tham gia. • Mạng không dây không phụ thuộc vào vị trí địa hình, nên rất dễ dàng triển khai lắp đặt. Tuy mạng không dây còn có những hạn chế về giá cả cũng như về mặt kỹ thuật: băng thông còn thấp, bán kính phủ sóng còn hạn chế, thiết bị phần cứng còn đắt, tuổi thọ pin còn thấp, các kết nối chưa thực sự đảm bảo, khả năng bảo mật chưa cao. Xong, với xu hướng phát triển của khoa học công nghệ, cũng như sự đầu tư có trọng điểm của các quốc gia, mạng không dây sẽ càng trở nên phổ biến và sẽ có thể thay thế được mạng có dây. Mạng không dây di động hay thường gọi là mạng Mobile Ad-hoc Network (MANET) (ad-hoc có thể hiểu theo nghĩa là không có tổ chức, hay là mô hình mạng có 7 tính chất động). Mạng phải hoạt động trong một phương thức độc lập, hoặc được kết nối tới một mạng cố định (như mạng internet) qua các gateway. Các nút logic của các mạng này có thể là các đối tượng khác nhau, từ các đối tượng rất lớn (như máy bay, tàu, xe tải và ô tô), tới các đối tượng rất nhỏ (như các bộ cảm ứng). Do đó, dung lượng và tài nguyên khả dụng của các nút thay đổi đáng kể. Các nút thường được trang bị với các bộ phát và nhận không dây sử dụng các ăng ten có thể theo mọi hướng, định hướng cao hoặc có thể lái được. Bởi vậy, khả năng kết nối không dây vật lý giữa bất kỳ nút phụ thuộc vào yếu tố khác nhau như vị trí nút, phạm vi vô tuyến, các mức độ giao thoa và hoàn cảnh môi trường bên ngoài mà có thể tác động tới tín hiệu được truyền đi. 1.3. Đặc điểm của mạng Manet Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET đều có những đặc điểm về nguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng khác nhau. Chúng có thể di chuyển về mọi hướng theo các tốc độ khác nhau, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính của mạng MANET như sau: Cấu hình mạng động:Một trong những đặc trưng quan trọng của môi trường mạng Manet là sự thay đổi trạng thái thường xuyên và nhanh chóng của các nút mạng cũng như các liên kết giữa các nút mạng. Một nút mạng có thể gia nhập hoặc tách khỏi mạng tại bất kỳ thời điểm nào. Các nút mạng có thể di chuyển tự do dẫn đến các liên kết giữa các nút mạng thay đổi liên tục. Vì vậy, cấu hình mạng (network topology) trong môi trường mạng không dây di động thay đổi liên tục làm ảnh hưởng đến các hoạt động trao đổi thông tin giữa các nút mạng. Đây chính là một trong những thử thách chính khi xây dựng một giao thức định tuyến trong mạng không dây. Giao thức định tuyến phải có khả năng tương thích cao với đặc trưng này sao cho có khả năng tự thiết lập và tái thiết lập thông tin định tuyến một cách nhanh chóng và hiệu quả. Tính tự thiết lập: Mạng không dây di động không phụ thuộc vào bất kỳ một cấu trúc mạng nào sẵn có cũng như sự quản lý tập trung tại bất kỳ một nút mạng nào. Các nút mạng có vai trò ngang nhau và hoạt động độc lập nhau. Các nút mạng phải tự thiết lập các thông 8 tin cần thiết cho chính mình (địa chỉ mạng, thông tin định tuyến, ) khi gia nhập vào mạng cũng như tự điều chỉnh thông tin khi mạng thay đổi. Do đó, giao thức định tuyến trong môi trường mạng này phải hỗ trợ cơ chế tự thiết lập, cập nhật và quản lý các thông tin cần thiết cho các nút mạng. Môi trường mạng không dây: Nhìn chung, các nút mạng trong môi trường mạng không dây sử dụng tần số radio hoặc hồng ngoại để trao đổi dữ liệu với nhau. Các thiếtbị không dây như thế có thể kể đến là: laptop, pocket PC, PDA, điện thoại di động, sensor, các thiết bị vệ tinh, … Mặc dù, các thiết bị khác nhau ở tầng vật lý nhưng khi cùng tham gia trong cùng một môi trường mạng không dây thì dùng chung một băng tần để trao đổi dữ liệu. Trong môi trường không dây này, các thiết bị đều chịu những hạn chế như: • Băng thông thấp • Môi trường truyền thông có độ tin cậy thấp • Hạn chế về năng lượng, bộ nhớ, khả năng tính toán Chất lượng kênh trong môi trường mạng MANET là luôn thay đổi và topo mạng thay đổi theo thời gian. Hơn nữa, các nút di động hoạt động sử dụng nguồn năng lượng (pin) có hạn. Và trong MANET không có máy phục vụ trung tâm. 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 MANET 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 nó có tính chất cơ động cao và do đó làm giảm bớt sự phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng, làm cho mạng phát triển dễ dàng, tốc độ phát triển của mạng nhanh. Đây là một ưu điểm rõ ràng của MANET. Bên cạnh đó, số lượng thiết bị di động lớn, tiết kiệm, sử dụng dữ liệu số và không cần đăng ký cũng là những lợi thế của các mạng này. Các vấn đề thách thức khác đối với mạng MANET là: sự định tuyến/Quản lý các nút (thêm vào mạng, thoát khỏi mạng), tính bảo mật, mật độ các nút, sự xung đột, mô phỏng và kinh nghiệm thực tế, và sự tương tác giữa các lớp. 9 1.4. Ứng dụng phổ biến của mạng Manet MANET có ưu thế trong rất nhiều ứng dụng bởi vì chúng không cần bất cứ một cơ sở hạ tầng nào. Những ứng dụng điển hình bao gồm: • Nội bộ: Mạng manet có thể chủ động liên kết một mạng lưới đa phương tiện tức thời và tạm thời nhờ sử dụng máy tính xách tay để truyền bá và chia sẻ thông tin giữa các đại biểu tham dự như một hội nghị, lớp học. Một cách sử dụng khác của loại mạng này là sử dụng trong gia đình để trao đổi trực tiếp thông tin với nhau. Tương tự như vậy trong các lĩnh vực khác như taxi dân sự, thể thao, sân vận động, thuyền và máy bay nhỏ… • Lĩnh vực quân sự: Trang thiết bị quân sự hiện nay thường chứa một số loại thiết bị máy tính. Manet mạng lưới sẽ cho phép quân đội tận dụng lợi thế của công nghệ mạng phổ biến để duy trì một thông tin mạng lưới giữa những người lính, xe cộ, và thông tin từ bộ chỉ huy. Nhất là trong các trường hợp chiến đấu khốc liệt, các cơ sở hạ tầng mạng bị phá hủy, lúc này mạng Adhoc là lựa chọn số một để các thiết bị truyền thông liên lạc với nhau một cách nhanh chóng. • Lĩnh vực thương mại: Khi được kết hợp một cách hợp lý với truyền thông vệ tinh,mạng truyền thông cho hoạt động cứu hỏa, cứu thương, khắc phục sự cố tai nạn hoặc các trường hợp cần triển khai mạng thật nhanh chóng để phục vụ tức thì. Thông tin được chuyển tiếp giữa các thành viên trong nhóm bằng một thiết bị nhỏ cầm tay. 1.5. Phân loại Manet 1.5.1 Phân loại MANET theo cách thức định tuyến a. MANET định tuyến Single-hop Đây là loại mô hình mạng Ad-hoc đơn giản nhất, trong đó tất cả các node đều nằm trong cùng một vùng phủ sóng, tức là các node có thể kết nối trực tiếp với các node khác mà không cần phải qua node trung gian. 10 [...]... cho các mạng có tính chuyển động thấp 1.6 Kết luận phần I Phần I của đề tài đã trình bày những kiến thức tổng quan về MANET: khái niệm, đặc điểm, ưu điểm, nhược điểm, phân loại MANET, đưa ra những ứng dụng của Manet Theo đó tạo tiền đề để nghiên cứu về vấn đề báo hiệu trong MANET được trình bày trong phần tiếp theo 13 II BÁO HIỆU TRONG MANET 2.1 Báo hiệu mạng và các khái niệm liên quan Báo hiệu mạng được... nhất định, báo hiệu được định nghĩa như báo hiệu trên mỗi nút Ví dụ, các bản tin điều khiển trao đổi trong khám phá và duy trì các kết nối giữa hai nút đầu cuối Chúng ta sẽ tập trung vào loại báo hiệu này, thay vì báo hiệu trên mỗi lưu lượng Từ phương diện các phương pháp phân phối gói tin, báo hiệu có thể phân lớp thành hai loại: báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng Báo hiệu trong băng là gửi... mạng – mạng, và người dùng – người dùng Báo hiệu người dùng – mạng liên quan tới các bản tin điều khiển chuyển qua giữa các thiết bị người sử dụng và một nút mạng Báo hiệu mạng – mạng là các tín hiệu điều khiển giữa các nút mạng Báo hiệu người dùng – người dùng là tín hiệu điều khiển giữa các người sử dụng đầu cuối Các mạng MANET không rõ các điểm khác biệt giữa các thiết bị người dùng và các nút mạng, ... mạng, do đó sự phân biệt báo hiệu như vậy là không tồn tại 2.1.1 Báo hiệu trong các mạng tùy biến di động Có một số cơ chế báo hiệu cho các mạng không dây Ví dụ, hệ thống báo hiệu INSIGNIA là một khung làm việc QoS dựa trên IP trọng tải nhẹ hỗ trợ sự dành riêng tài nguyên đầu cuối tới đầu cuối INSIGNIA sử dụng báo hiệu trong băng để giảm sự tiêu thụ băng thông của lưu lượng báo hiệu Nó sử dụng cơ chế... gói dữ liệu trong số đi đến đo được Dựa trên các hành vi của chúng trong việc cài đặt/duy trì trạng thái, các cơ chế báo hiệu hiện tại trong các mạng không dây có thể phân lớp thành hai loại cơ bản: báo hiệu reactive và báo hiệu proactive 15 i, Báo hiệu reactive Báo hiệu reactive khởi đầu và kết thúc sự trao đổi bản tin như yêu cầu Ví dụ sự duy trì tuyến qua các bản tin HELLO trong AODV là trong thực... truyền trên mạng Trong những mạng lớn thì cấu trúc Flat không tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên băng thông của mạng vì những bản tin điều khiển ( cotrol message) phải truyền trên toàn bộ mạng Tuy nhiên nó thích hơp trong những topo có các node di chuyển nhiều b MANET phân cấp( Hierarchical) Mạng Manet phân cấp là mô hình mạng được sử dụng phổ biến nhất trong mạng Manet Trong kiến trúc này, mạng chia... khiển trong cùng một kênh truyền Trái lại, báo hiệu ngoài băng là sự trao đổi thông tin điều khiển trong một kênh dữ liệu riêng biệt, hoặc gửi các gói tin điều khiển và các gói dữ liệu một cách riêng biệt ta tập trung vào báo hiệu ngoài băng, 14 được sử dụng trong hầu hết các giao thức định tuyến MANET Từ phương diện các thực thể tham gia, báo hiệu mạng có thể phân lớp thành báo hiệu người sử dụng – mạng, ... thích hợp và loại bỏ các trạng thái lỗi thời Báo hiệu mạng có thể liên quan tới các luồng lưu lượng cụ thể, hoặc với vận hành mạng nói chung Nó có thể bao hàm các nút trong mạng, hoặc chạy rõ ràng giữa các nút đầu cuối Nếu quản lý trạng thái điều khiển mạng ở một cấp độ lưu lượng rõ ràng, báo hiệu được định nghĩa như báo hiệu trên mỗi lưu lượng Các giao thức báo hiệu loại này mang thông tin mỗi luồng cho... sự xử lý báo hiệu reactive, từ các bản tin HELLO được gửi chỉ khi nào có dữ liệu truyền tới các nút đích Thông tin trạng thái tuyến chỉ được duy trì trong suốt thời gian chu kỳ truyền dữ liệu Sau khi dữ liệu truyền đi, không có bản tin HELLO nào được trao đổi giữa các nút lân cận trong tuyến Báo hiệu reactive thường được phân chia thành ba giai đoạn: báo hiệu khởi tạo, báo hiệu duy trì và báo hiệu kết... các bản tin trong báo hiệu reactive bao gồm hai loại, các bản tin kích hoạt cài đặt/loại bỏ trạng thái và các bản tin làm tươi giữ các trạng thái đã cập nhật ii, Báo hiệu proactive Báo hiệu proactive trao đổi các bản tin báo hiệu một cách định kỳ, dựa trên các cơ cấu soft-state Xử lý báo hiệu là không tương quan với chuyển tiếp dữ liệu (hoặc các luồng dữ liệu) Ví dụ, xử lý quảng cáo topo trong hầu hết . chương 12 II. BÁO HIỆU TRONG MANET 2.1. Báo hiệu mạng và các khái niệm liên quan 13 2.1.1. Báo hiệu trong các mạng tùy biến di động 14 2.1.2. Báo hiệu soft-state 15 2.1.3. Báo hiệu trong các giao. của Manet. Theo đó tạo tiền đề để nghiên cứu về vấn đề báo hiệu trong MANET được trình bày trong phần tiếp theo. 13 II. BÁO HIỆU TRONG MANET 2.1. Báo hiệu mạng và các khái niệm liên quan Báo hiệu. tin, báo hiệu có thể phân lớp thành hai loại: báo hiệu trong băng và báo hiệu ngoài băng. Báo hiệu trong băng là gửi đi các dữ liệu và thông tin điều khiển trong cùng một kênh truyền. Trái lại, báo