Tìm hiểu giải pháp kết hợp của TCP-Reno và Vegas với giao thức định tuyến ZRP trên mạng MANET

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay dưới sự phát triển nhanh chóng của mạng tùy biến không dây di động (MANET) nhờ vào sự gia tăng của các thiết bị máy tính cá nhân, các thiết bị di động và đã có rất nhiều quan tâm và nghiên cứu của các nhà khoa học trong lĩnh vực này. Mạng MANET được xem như là một mạng lưới đặc biệt, ở đó tất cả các nút có thể giao tiếp với nhau thông qua việc chuyển tiếp các gói tin nhờ vào các nút trung gian. Tuy nhiên chính vì mang tính di động và tự do di chuyển, độc lập với nhau đã làm cho việc truyền dữ liệu, thông tin gặp nhiều khó khăn. Giao thức điều khiển truyền (TCP), là một giao thức được thiết kế để sử dụng việc truyền dữ liệu đáng tin cậy từ điểm này đến điểm khác, đã sử dụng rất hiệu quả trên mạng có dây, những năm gần đây cũng đã có nhiều nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của nó trên mạng MANET. Tuy nhiên vấn đề bất lợi của TCP đối với mạng MANET chính là thường xuyên bị tổn thất và mất gói tin bởi nhiều nguyên nhân như: tắc nghẽn mạng, liên kết thất bại, phân vùng… Nhiều phiên bản TCP được ứng dụng trong mạng MANET như TCP-Vegas, TCP-VegasA, TCP-Newvegas, TCP-VegasW, TCP-Reno, TCP-Veno... Tuy nhiên khi kết hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và giao thức định tuyến một cách phù hợp trong mạng MANET sẽ cải thiện và nâng cao đáng kể hiệu năng sử dụng cũng như giảm thiểu các lỗi trong quá trình truyền nhận dữ liệu. Chính vì lẽ đó, với đề tài “Tìm hiểu giải pháp kết hợp của TCP-Reno và Vegas với giao thức định tuyến ZRP trên mạng MANET” với mục đích nghiên cứu nhằm tìm ra những kết hợp hiệu quả nhất là điều cần thiết và cấp bách trong việc góp phần nâng cao hiệu năng sử dụng mạng MANET. Mục đích nghiên cứu Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề hiệu năng của giao thức TCP cải tiến kết hợp các giao thức định tuyến trên MANET, tuy nhiên vấn đề làm thế nào để kết hợp hiệu quả và tìm ra phương án tối ưu về hiệu năng vẫn còn đang được rất nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu. Nhiều nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất truyền tin khi kết hợp với giao thức định tuyến như: giao thức định tuyến theo yêu cầu AODV có ưu điểm là gửi yêu cầu định tuyến khi có yêu cầu gửi dữ liệu đến nút đích và chưa có bất kỳ con đường nào từ nó đến đích, điều này giúp làm giảm chi phí định tuyến rất nhiều so với việc định kỳ trao đổi thông điệp định tuyến như các giao thức định tuyến chủ động; giao thức định tuyến DSDV định tuyến dạng hop-by-hop, sử dụng bảng dữ liệu định tuyến nhanh chóng thiết lập tuyến đường truyền tin từ nút nguồn đến nút đích và duy trì tuyến đường với hai cơ chế cập nhật định tuyến nhanh và cập nhật định tuyến định kỳ; DSR có hai cơ chế định tuyến cơ bản là cơ chế khám phá tuyến đường và cơ chế duy trì tuyến đường; Với cơ chế của giao thức định tuyến ZRP nhờ sự kết hợp của hai cơ chế giao thức định tuyến chủ ứng và phản ứng, giao thức này có thể tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh tham số bán kính vùng phù hợp. Ngoài ra, các giao thức truyền tin cải tiến cũng được phát triển với việc điều chỉnh kích thước cửa sổ dựa vào thời gian khứ hồi RTT (TCP-Vegas) hoặc dựa vào các ACK hồi đáp như TCP-Reno. Nếu có một sự kết hợp tốt giữa giao thức truyền tin với giao thức định tuyến cũng góp phần cải thiện thông lượng, nâng cao hiệu suất truyền tin trên mạng Mobile Ad-hoc. Chính vì vây tôi muốn nghiên cứu đề tài“Tìm hiểu giải pháp kết hợp của TCP-Reno và Vegas với giao thức định tuyến ZRP trên mạng MANET” nhằm đánh giá rõ ràng và cụ thể việc kết hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và định tuyến góp phần nâng cao hiệu năng sử dụng mạng MANET. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết của hai giao thức TCP cải tiến là Reno và Vegas kết hợp với giao thức định tuyến ZRP trên MANET. Đồng thời đánh giá hiệu năng của từng kết hợp này dựa vào phương pháp mô phỏng bằng NS-2 sau đó sử dụng phần mềm Trace Graph để phân tích kết quả. Từ đó có thể đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu góp phần đảm bảo truyền thông tin cậy và hiệu quả. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu, phân tích và tổng hợp tài liệu có liên quan từ các nguồn như: các bài báo, sách, giáo trình trong và ngoài nước. Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để nắm được những yêu cầu, nội dung cụ thể cần giải quyết cho đề tài. Đề tài này đánh giá việc kết hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và định tuyến góp phần nâng cao hiệu năng sử dụng trên mạng MANET. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Mạng MANET được ứng dụng trong tình huống khẩn cấp như thiên tai, thảm hoạ do con người gây ra, các xung đột quân sự, các tình huống y tế khẩn cấp… nơi mà không thể hoặc khó có thể xây dựng cơ sở hạ tầng cố định. Để góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng công nghệ thông tin trong những môi trường này thì việc nghiên cứu để kết hợp giao thức truyền tin với giao thức định tuyến cũng góp phần cải thiện hiệu suất truyền thông cũng là một vấn đề cần thiết hiện nay. Cấu trúc của luận văn Luận văn bao gồm phần: mở đầu, chương 1, chương 2, chương 3, kết luận và tài liệu tham khảo. Chương 1 trình bày Tổng quan về mạng MANET gồm các phần giới thiệu, phân loại các giao thức định tuyến và vấn đề điều khiển lưu thông trên MANET nhằm xây dựng kiến thức chung để nghiên cứu chính trong luận văn. Chương 2 nghiên cứu sự kết hợp của các giao thức TCP cải tiến và giao thức định tuyến trên mạng MANET cụ thể là tìm hiểu các hoạt động của giao thức truyền tin TCP-Reno, TCP-Vegas, giao thức định tuyến ZRP và việc kết hợp giữa giao thức truyền tin và giao thức định tuyến trên MANET. Chương 3 từ nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết của chương 2 chúng tôi thực hiện mô phỏng giao thức truyền tin kết hợp giao thức định tuyến từ đó đưa ra kết quả đánh giá hiệu năng trên MANET. Kết luận nêu lên những kết quả đạt được và định hướng phát triển của đề tài luận văn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

Lấ THỊ BÍCH PHƯỢNG

Tìm hiểu giải pháp kết hợp của TCP-Reno

và Vegas với giao thức định tuyến ZRP

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu 1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

Cấu trúc của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET 4

1.1 Cấu trúc mạng MANET 4

1.1.1 Giới thiệu tổng quát về mạng MANET 4

1.1.2 Phương thức hoạt động của MANET 5

1.1.3 Một số đặc điểm chính và những thách thức phải đối mặt trong mạng MANET 6

1.1.4 Một số ứng dụng của MANET 7

1.2 Phân loại giao thức định tuyến trên MANET 8

1.2.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi 10

1.2.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu 11

1.2.3 Giao thức định tuyến kết hợp 11

1.3 Vấn đề điều khiển lưu thông trên MANET 12

1.3.1 Cơ chế hoạt động của TCP: 13

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất TCP trong MANET 16

1.3.3 Một số giải pháp để cải thiện hiệu năng của TCP trong MANET 18

1.4 Tiểu kết chương 19

Chương 2 SỰ KẾT HỢP CỦA CÁC GIAO THỨC TCP CẢI TIẾN VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ZRP 21

2.1 Hoạt động của TCP Reno và Vegas 21

2.1.1 Giao thức truyền tin TCP Reno 21

2.1.2 Giao thức truyền tin TCP Vegas 24

2.2 Hoạt động của giao thức định tuyến vùng (ZRP) 28

2.2.1 Giới hạn phạm vi vùng của ZRP 29

2.2.2 Cấu trúc của ZRP 30

2.2.3 Định tuyến của ZRP 31

2.2.4 Việc bảo trì tuyến của ZRP 32

2.2.5 Cơ chế truy vấn - điều khiển của ZRP 34

2.3 Ảnh hưởng của sự kết hợp giữa TCP và giao thức định tuyến 35

2.3.1 Ảnh hưởng TCP trên mạng không dây 35

2.3.2 Ảnh hưởng của TCP trên MANET 35

2.3.3 Ảnh hưởng của TCP với AODV, DSR và DSDV 36

2.4 Đánh giá hiệu năng của sự kết hợp giữa giao thức TCP với một số cơ chế định tuyến ZRP 38

2.4.1 Ưu điểm của ZRP 38

2.4.2 Đánh giá hiệu năng của ZRP so với một số giao thức định tuyến 38

2.4.3 Hoạt động của ZRP với TCP Reno và Vegas 41

2.5 Tiểu kết chương 43

Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT MÔ HÌNH TRONG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 44

3.1 Môi trường mô phỏng NS-2 44

3.1.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng NS-2 44

3.1.2 Kiến trúc của NS2 45

3.1.3 Các phần mềm dùng kết hợp với NS-2 47

3.1.4 Cách tạo tập tin tcl để thực hiện mô phỏng 48

3.2.Thiết kế mô hình và cài đặt mô phỏng 52

3.3 Phân tích kết quả và đánh giá hiệu năng khi kết hợp TCP-Reno, Vegas với ZRP 54

3.3.1 Tỷ lệ phát gói tin thành công 55

3.3.2 Thông lượng 56

3.3.3 Tỷ lệ rơi gói tin 58

3.3.4 Độ trễ trung bình End-to-End 59

3.4 Tiểu kết chương 60

KẾT LUẬN 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định

ACK Acknowledgement data

BRP Broadcast Resolution Protocol Giao thức cho vùng biên

CBQ Class Based Queueing Hàng đợi dựa trên lớp

CWND Congestion Window Cửa sổ tắt nghẽn

DSDV Destination Sequence

Distance Vector routing

Giao thức vector khoảng cách chủ ứng

DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn phản ứng FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin

HBT High priority Best effort

Viện kỹ thuật điện điện tử

IERP Interzone routing protocol Giao thức định tuyến bên ngoài vùng IETF Internet Engineering Task

Force

Nhóm nghiên cứu IETF

IP Internet Protocol Giao thức internet

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đường truyền

MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động

MMS MPLS Network Simulation Mô phỏng mạng MPLS

MPLS Multicast-Protocol Label

Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

NAM Network Animator Minh họa mạng

NFS Network FileSystems Các tập tin hệ thống mạng

NS Network Simulator Mô phỏng mạng

NDP Neighbor Discovery Protocol Giao thức khám phá láng giềng OSPF Open Shortest Path First Đường dẫn ngắn nhất mở đầu tiên PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

PDA Personal Digital Assistants Thiết bị hỗ trợ cá nhân

RED Random Early Detection Hàng đợi Dò sớm ngẫu nhiên

RREQ Route Request Yêu cầu tuyến

RT Realtime Traffic Lưu lượng thời gian thực

RTT Round Trip Time Thời gian một vòng đi về

SBT Simple Best Effort Traffic Lưu lượng nỗ lực tối đa đơn giản SPF Shortest Path First Đường dẫn ngắn nhất đầu tiên SSTH Slowstart Threshold Ngưỡng bắt đầu chậm

ST Signaling Traffic Lưu lượng tín hiệu

TCP Transmission Control

Protocol

Giao thức điều khiển truyền tải

TTL Time-To-Live Thời gian tồn tại

UDP User Datagram Protocol Giao thức gói người dùng

VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit thay đổi được

VINT Virtual Internet Testbed Dự án VINT

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WIFI Wireless Fidelity Mạng không dây dùng internet WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

ZRP Zone Routing Protocol Giao thức định tuyến vùng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng Tên bảng Trang

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu hình Tên hình vẽ Trang

Giao thức điều khiển truyền (TCP), là một giao thức được thiết kế để sử dụng việc truyền dữ liệu đáng tin cậy từ điểm này đến điểm khác, đã sử dụng rất hiệu quả trên mạng có dây, những năm gần đây cũng đã có nhiều nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của nó trên mạng MANET Tuy nhiên vấn đề bất lợi của TCP đối với mạng MANET chính là thường xuyên bị tổn thất và mất gói tin bởi nhiều nguyên nhân như: tắc nghẽn mạng, liên kết thất bại, phân vùng…

Nhiều phiên bản TCP được ứng dụng trong mạng MANET như TCP-Vegas, TCP-VegasA, TCP-Newvegas, TCP-VegasW, TCP-Reno, TCP-Veno Tuy nhiên khi kết hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và giao thức định tuyến một cách phù hợp trong mạng MANET sẽ cải thiện và nâng cao đáng kể hiệu năng sử dụng cũng như giảm

thiểu các lỗi trong quá trình truyền nhận dữ liệu Chính vì lẽ đó, với đề tài “Tìm hiểu

giải pháp kết hợp của TCP-Reno và Vegas với giao thức định tuyến ZRP trên mạng MANET” với mục đích nghiên cứu nhằm tìm ra những kết hợp hiệu quả nhất là điều

cần thiết và cấp bách trong việc góp phần nâng cao hiệu năng sử dụng mạng MANET

Mục đích nghiên cứu

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề hiệu năng của giao thức TCP cải tiến kết hợp các giao thức định tuyến trên MANET, tuy nhiên vấn đề làm thế nào để kết hợp hiệu quả và tìm ra phương án tối ưu về hiệu năng vẫn còn đang được rất nhiều quan tâm của các nhà nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu suất truyền tin khi kết hợp với giao thức định tuyến như: giao thức định tuyến theo yêu cầu AODV có ưu điểm là gửi yêu cầu định tuyến khi có yêu cầu gửi dữ liệu đến nút đích và chưa có bất kỳ con đường nào từ nó đến đích, điều này giúp làm giảm chi phí định tuyến rất nhiều so với việc định kỳ trao đổi thông điệp định tuyến như các giao thức định tuyến chủ động; giao thức định tuyến DSDV định tuyến dạng hop-by-hop, sử dụng bảng dữ liệu định tuyến nhanh chóng thiết lập tuyến đường truyền tin từ nút nguồn đến nút đích và duy trì tuyến đường với hai cơ chế cập nhật định tuyến nhanh và cập nhật định tuyến định kỳ; DSR có hai cơ chế định tuyến cơ bản là cơ chế khám phá tuyến đường và cơ chế duy trì tuyến đường; Với cơ chế của giao thức định tuyến ZRP nhờ sự kết hợp của hai cơ chế giao thức định tuyến chủ ứng và phản ứng, giao thức này có thể tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh tham số bán kính vùng phù hợp Ngoài ra, các giao thức truyền tin cải tiến cũng được phát triển với việc điều chỉnh kích thước cửa sổ dựa vào thời gian khứ hồi RTT (TCP-Vegas) hoặc dựa vào các ACK hồi đáp như TCP-Reno Nếu có một sự kết hợp tốt giữa giao thức truyền tin với giao thức định tuyến cũng góp phần cải thiện thông lượng, nâng cao hiệu suất truyền tin trên mạng Mobile Ad-hoc Chính vì vây tôi

muốn nghiên cứu đề tài“Tìm hiểu giải pháp kết hợp của TCP-Reno và Vegas với giao

thức định tuyến ZRP trên mạng MANET” nhằm đánh giá rõ ràng và cụ thể việc kết

hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và định tuyến góp phần nâng cao hiệu năng sử dụng mạng MANET

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu lý thuyết của hai giao thức TCP cải tiến là Reno và Vegas kết hợp với giao thức định tuyến ZRP trên MANET Đồng thời đánh giá hiệu năng của từng kết hợp này dựa vào phương pháp mô phỏng bằng NS-2 sau đó

sử dụng phần mềm Trace Graph để phân tích kết quả Từ đó có thể đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu góp phần đảm bảo truyền thông tin cậy và hiệu quả

Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu, phân tích và tổng hợp tài liệu có liên quan từ các nguồn như: các bài báo, sách, giáo trình trong và ngoài nước

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết để nắm được những yêu cầu, nội dung cụ thể cần giải quyết cho đề tài Đề tài này đánh giá việc kết hợp giữa giao thức truyền dữ liệu và định tuyến góp phần nâng cao hiệu năng sử dụng trên mạng MANET

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Mạng MANET được ứng dụng trong tình huống khẩn cấp như thiên tai, thảm hoạ do con người gây ra, các xung đột quân sự, các tình huống y tế khẩn cấp… nơi

mà không thể hoặc khó có thể xây dựng cơ sở hạ tầng cố định Để góp phần thúc đẩy phát triển ứng dụng công nghệ thông tin trong những môi trường này thì việc nghiên cứu để kết hợp giao thức truyền tin với giao thức định tuyến cũng góp phần cải thiện

hiệu suất truyền thông cũng là một vấn đề cần thiết hiện nay

Cấu trúc của luận văn

Luận văn bao gồm phần: mở đầu, chương 1, chương 2, chương 3, kết luận và tài liệu tham khảo

Chương 1 trình bày Tổng quan về mạng MANET gồm các phần giới thiệu, phân loại các giao thức định tuyến và vấn đề điều khiển lưu thông trên MANET nhằm xây dựng kiến thức chung để nghiên cứu chính trong luận văn

Chương 2 nghiên cứu sự kết hợp của các giao thức TCP cải tiến và giao thức định tuyến trên mạng MANET cụ thể là tìm hiểu các hoạt động của giao thức truyền tin TCP-Reno, TCP-Vegas, giao thức định tuyến ZRP và việc kết hợp giữa giao thức truyền tin và giao thức định tuyến trên MANET

Chương 3 từ nghiên cứu trên cơ sở lý thuyết của chương 2 chúng tôi thực hiện

mô phỏng giao thức truyền tin kết hợp giao thức định tuyến từ đó đưa ra kết quả đánh giá hiệu năng trên MANET

Kết luận nêu lên những kết quả đạt được và định hướng phát triển của đề tài luận văn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET

Trong hệ thống thông tin liên lạc hiện nay mạng MANET ngày càng đóng vai trò quan trọng với những ưu điểm vượt trội như tính di động cao, các thiết bị có thể di chuyển tùy ý; thiết lập linh hoạt, dễ bổ sung, thay thế các thiết bị tham gia mạng mà không cần phải cấu hình lại toàn mạng; ứng dụng hiệu quả trong các trường hợp như công tác tìm kiếm cứu hộ khẩn cấp, hội họp, quân sự… những nơi rất khó hoặc không thể xây dựng các cơ sở hạ tầng cố định

1.1 Cấu trúc mạng MANET

1.1.1 Giới thiệu tổng quát về mạng MANET

Một mạng tùy biến không dây di động là mạng khi cần thiết chúng tự đến với nhau, không cần có sự hỗ trợ từ các cơ sở hạ tầng Internet hoặc bất kỳ các loại trạm cố định nào khác Hay nói một cách khác, Mạng tuỳ biến không dây di động là một mạng

tự cấu hình của các thiết bị định tuyến di động được kết nối bởi các liên kết không dây

– sự kết hợp này tạo thành một cấu trúc liên kết ngẫu nhiên (hình 1.1) Các thiết bị

định tuyến tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên và chúng tự tổ chức một cách ngẫu nhiên; do đó cấu trúc liên kết không dây có thể thay đổi nhanh chóng và khó lường Một mạng lưới như vậy có thể hoạt động một cách độc lập hoặc có thể kết nối với mạng lưới lớn hơn Cấu hình tối thiểu và triển khai nhanh chóng làm cho mạng tuỳ biến phù hợp với các tình huống khẩn cấp như thiên tai, thảm hoạ do con người gây ra,

các xung đột quân sự, các tình huống y tế khẩn cấp…

Các ứng dụng di động đang thách thức bổ sung cho mạng lưới như thay đổi cấu trúc liên kết mạng nhanh chóng và rộng rãi Với kịch bản như vậy đòi hỏi việc sử dụng công nghệ mạng tuỳ biến không dây di động để đảm bảo các tuyến thông tin liên lạc được cập nhật một cách nhanh chóng và chính xác MANET là tự tạo, tự duy trì và tự phục hồi, cho phép linh hoạt trong mạng Trong khi MANET có thể hoàn toàn khép kín thì chúng cũng có thể gắn với địa chỉ IP dựa trên mạng toàn cầu hay cục bộ (ví dụ

Hình 1.1 Mô hình mạng MANET 1.1.2 Phương thức hoạt động của MANET

Mạng tùy biến là mạng không dây di động nhiều điểm kết nối ngang hàng (peer–to–peer) cơ bản, ở đó các gói tin được truyền đi theo cách lưu trữ và chuyển tiếp

từ nguồn đến đích bất kỳ, thông qua các nút trung gian như trong (hình 1.2) Các nút di

chuyển, kết quả thay đổi trong cấu trúc mạng phải làm cho các nút khác biết được để các thông tin cấu trúc liên kết lỗi thời có thể được cập nhật hoặc gỡ bỏ.Ví dụ trong

(hình 1.2), điểm MH2 thay đổi điểm của nó từ MH3 đến MH4 phần nút khác của

mạng nên sử dụng định tuyến mới này để chuyển tiếp các gói tin đến MH2

Giả định rằng không thể có tất cả các nút trong phạm vi phát sóng sẽ không có vấn đề về định tuyến để được giải quyết Trong tình huống thực, điện năng cần thiết để

có thể kết nối hoàn toàn có thể là: ít khả thi nhất, chưa kể đến các vấn đề như tuổi thọ của pin Vì vậy chúng ta chỉ quan tâm đến các tình huống chỉ có vài nút trong phạm vi phát sóng với nhau

Trong hình 1.2 [5] đặt ra một vấn đề khác của liên kết đối xứng (hai chiều) và

không đối xứng (một chiều) Liên kết đối xứng nghĩa là nếu giả sử MH1 nằm trong phạm vi phát sóng của MH3 thì MH3 cũng nằm trong phạm vi phát sóng của MH1 Điều này cũng nói lên rằng các liên kết kết nối là đối xứng nhau Mặc dù giả định này không phải lúc nào cũng luôn luôn có giá trị, nó thường được thực hiện bởi vì định tuyến trong mạng không đối xứng là một nhiệm vụ tương đối khó Trong một vài trường hợp có thể tìm thấy các tuyến để có thể tránh liên kết không đối xứng khi nó

khá giống với liên kết sắp xảy ra thất bại (nghĩa là không đối xứng) Tuy nhiên chúng

ta cần xem xét các liên kết luôn đối xứng nhau, và tất cả các nút có tính năng và nhiệm

vụ giống nhau [5]

Hình 1.2 Mô hình hoạt động MANET

Vấn đề liên kết đối xứng và bất đối xứng là một trong những thách thức gặp phải trong một mạng MANET Một vấn đề quan trọng khác là các nút khác nhau thường có mô hình di động khác nhau Một vài nút có tính di động khá cao, trong khi

đó một số nút khác chủ yếu là cố định.Thật khó để dự đoán việc di chuyển và mô hình

Hoạt động hạn chế năng lượng: Một số hoặc tất cả các nút trong mạng tùy biến không dây có thể phụ thuộc vào pin hoặc các phương tiện khác cho năng lượng của chúng Đối với những nút này, các tiêu chí tối ưu hóa thiết kế hệ thống quan trọng nhất

có thể là việc bảo tồn năng lượng

Giới hạn băng thông: Kết nối không đây tiếp tục có công suất thấp hơn đáng kể

so với các mạng cơ sở hạ tầng Thêm vào đó, thông lượng thực hiện của việc kết nối không dây như: – sau khi chiếm ảnh hưởng đến điều kiện nhiễu sóng, tiếng ồn, phai dần, truy cập nhiều… thường ít hơn nhiều so với tỷ lệ truyền tải tối đa của vô tuyến

Các thách thức an ninh: Mạng không dây di động dễ bị đe dọa tính bảo mật hơn

là mạng cáp cố định Khả năng gia tăng nghe trộm, giả mạo và các dịch vụ tấn công từ bên ngoài…

1.1.4 Một số ứng dụng của MANET

Có nhiều ứng đụng trong mạng tùy biến Vấn đề thực tế chính là mỗi ngày có nhiều ứng dụng như email và truyền tập tin có thể được dễ dàng triển khai trong môi trường mạng tùy biến Các dịch vụ Web cũng có thể có trong trường hợp có một vài nút trong mạng có thể đóng vai trò như là cổng giao tiếp ra bên ngoài với thế giới

Ngoài hàng loạt các ứng dụng quân sự có thể có trong mạng tùy biến (hình 1.3) Chưa

kể công nghệ này ban đầu phát triển được giữ kín trong các ứng dụng quân sự, chẳng hạn như trong chiến trường hoặc trong một lãnh thổ mà cơ sở hạ tầng không thể có hoặc không duy trì Trong tình huống như vậy, các mạng tùy biến có thể tự tổ chức và

sử dụng hiệu quả mà các công nghệ khác không thể thực hiện hoặc triển khai hiệu quả được Tính năng nâng cao của hệ thống di động không dây, bao gồm cả tốc độ dữ liệu tương thích với nhiều ứng dụng đa phương tiện, khả năng chuyển vùng toàn cầu và phối hợp với các cấu trúc mạng khác, được tạo điều kiện cho các ứng dụng mới Một

số ứng dụng mạng tùy biến nổi tiếng như:

- Công việc hợp tác: đối với môi trường kinh doanh thì nhu cầu cho việc tính toán hợp tác có thể là môi trường bên ngoài văn phòng quan trọng hơn Sau cùng nó thường được lựa chọn nơi mà con người cần có các cuộc họp bên ngoài để hợp tác và trao đổi thông tin về một dự án nhất định

- Khủng hoảng – các ứng dụng quản lý: ví dụ kết quả thảm hoạ từ thiên nhiên nơi mà toàn bộ cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc bị xáo trộn Việc khôi phục thông tin liên lạc một cách nhanh chóng là cần thiết Bằng cách sử dụng mạng tùy biến, cơ sở hạ tầng mạng có thể được thiết lập trong vài giờ thay vì vài ngày trên nhiều tuần cần thiết cho thông tin liên lạc liên lạc có dây

Mạng cá nhân và Bluetooth: một mạng cá nhân (PAN) có phạm vi ngắn, mạng cục bộ mà ở đó các nút gắn liền với cá nhân nào đó Những nút này có thể gắn vào các

mạch đồng hồ, thắt lưng của một người nào đó… Trong những tình huống này tính di động chỉ được xem xét chính khi tương tác giữa nhiều mạng cá nhân là cần thiết Ví dụ minh họa cho các trường hợp này là các cuộc gặp gỡ của con người trong cuộc sống thực tế Bluetooth, là một công nghệ nhằm mục đích hỗ trợ cho mạng khu vực cá nhân bằng cách loại bỏ sự cần thiết của có dây giữa các thiết bị như máy in, PDAs, notebook, máy ảnh kỹ thuật số…

Hình 1.3 Ứng dụng mạng MANET trong lĩnh vực quân sự

1.2 Phân loại giao thức định tuyến trên MANET

Việc định tuyến trong mạng MANET có bản chất khác với định tuyến truyền thống trên mạng cơ sở hạ tầng Định tuyến trong mạng MANET phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm cấu trúc liên kết, việc lựa chọn tuyến, yêu cầu ban đầu và đặc điểm cơ bản riêng có thể đóng vai trò như là phỏng đoán trong việc tìm đường đi nhanh chóng

và hiệu quả Nguồn tài nguyên thấp sẵn có trong mạng này yêu cầu sử dụng hiệu quả chính vì thế là động lực thúc đẩy để tối ưu định tuyến trong mạng tùy biến không dây Ngoài ra với tính chất thường xuyên thay đổi cao của các mạng này đã đặt ra các giới hạn khắc khe về giao thức định tuyến đã được thiết kế đặc biệt cho chúng, do đó việc thúc đẩy nghiên cứu giao thức nhằm mục đích đạt được ổn định định tuyến

Một trong những thách thức lớn của việc thiết kế một giao thức định tuyến cho mạng tùy biến xuất phát từ thực tế trên, một mặt, một nút cần phải biết các thông tin

với các nút láng giềng của nó để xác định một định tuyến cho việc truyền gói tin, mặt khác, các cấu trúc liên kết mạng có thể thay đổi khá thường xuyên trong mạng tùy biến Hơn nữa số lượng các nút mạng có thể lớn, việc tìm tuyến đến các đích cũng yêu cầu lớn và trao đổi thông tin thường xuyên điều khiển định tuyến giữa các nút Như vậy, số lượng lưu lượng cập nhật có thể khá cao và thậm chí còn cao hơn khi hiện tại

có số lượng các nút di động cao Các nút di động cao có thể ảnh hưởng đến chi phí bảo trì tuyến của giao thức định tuyến theo cách mà không có băng thông vẫn có thể còn lại việc truyền tải của các gói dữ liệu [5]

Nhiệm vụ của giao thức chủ ứng là các nút trong mạng MANET theo dõi các tuyến đường đến tất cả các điểm đích để khi một gói tin cần chuyển tiếp thì tuyến này được sẵn sàng biết đến và có thể sử dụng ngay lập tức Mặt khác giao thức phản ứng

áp dụng phương pháp tiếp cận lười, ở đó các nút chỉ khám phá tuyến đến đích theo yêu cầu, ví dụ, một nút không cần một tuyến đến đích mà để chuyển dữ liệu qua nút này

Giao thức chủ ứng có lợi thế khi một nút trải qua độ trễ tối thiểu mỗi khi một tuyến cần thiết như là một tuyến được lựa chọn ngay lập tức từ bảng định tuyến Tuy nhiên giao thức chủ ứng không thể luôn luôn phù hợp khi chúng liên tục sử dụng một phần đáng kể mạng lưới để duy trì thông tin định tuyến hiện tại Để đối phó với thiếu sót này, các giao thức phản ứng áp dụng phương pháp nghịch đảo để tìm đường đến đích chỉ khi cần thiết Giao thức phản ứng thường tiêu tốn băng thông ít hơn nhiều so với các giao thức chủ ứng nhưng độ chậm trễ để xác định một tuyến có thể cao hơn đáng kể và chúng sẽ trải qua độ trễ dài để khám phá một tuyến đến đích trước khi đến kết nối thực tế

Các giao thức định tuyến trong mạng Ad hoc được chia thành 3 loại (hình 1.4):

Giao thức định tuyến theo bảng ghi còn gọi là chủ ứng (Table-Driven Routing Protocol), Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu còn gọi là phản ứng (On-Demand Routing Protocol) và giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol)

Hình 1.4 Phân loại các giao thức định tuyến 1.2.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi

Giao thức định tuyến theo bảng ghi còn được gọi là giao thức chủ ứng (Proactive) Theo giao thức này, bất kỳ một nút trong mạng đều luôn duy trì trong bảng định tuyến của nó thông tin định tuyến đến tất cả các nút khác trong mạng Thông tin định tuyến được phát broadcast trên mạng theo một khoảng thời gian quy định để giúp cho bảng định tuyến luôn cập nhật những thông tin mới nhất Chính vì vậy, một nút nguồn có thể lấy thông tin định tuyến ngay lập tức khi cần thiết

Tuy nhiên, với những mạng mà các nút di chuyển nhiều hoặc các liên kết giữa các nút bị đứt thì cần phải có cơ chế tìm kiếm hoặc sửa đổi thông tin của nút bị đứt trong bảng định tuyến, nhưng nếu các liên kết đó không sử dụng thì sẽ trở nên lãng phí tài nguyên, ảnh hưởng đến các băng thông của mạng Chính vì thế giao thức định tuyến theo bảng ghi chỉ áp dụng trong các mô hình mạng MANET mà các nút ít di chuyển

Các giao thức hoạt động theo kiểu giao thức định tuyến theo bảng ghi như: Giao thức DSDV (Destination Sequenced Distance Vector), giao thức WRP (Wireless Routing Protocol), giao thức GSR (Global State Routing)…

1.2.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu

Một phương pháp khác với phương pháp định tuyến điều khiển theo bảng ghi

đó là định tuyến điều khiển theo yêu cầu còn được gọi là giao thức phản ứng (Reactive) Theo phương pháp này, các con đường đi sẽ được tạo ra nếu như có nhu cầu Khi một nút yêu cầu một tuyến đến đích, nó phải khởi đầu một quá trình khám phá tuyến để tìm đường đi đến đích Quá trình này chỉ hoàn tất khi đã tìm ra một tuyến sẵn sàng hoặc tất cả các tuyến khả thi đều đã được kiểm tra

Khi một tuyến đã được khám phá và thiết lập, nó được duy trì thông số định tuyến bởi một số dạng thủ tục cho đến khi hoặc là tuyến đó không thể truy nhập được

từ nút nguồn hoặc là không cần thiết đến nó nữa

Với các cơ chế đó, các giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu không phát broadcast đến các nút lân cận về các thay đổi của bảng định tuyến theo thời gian, nên tiết kiệm được tài nguyên mạng Vì vậy, loại giao thức này có thể sử dụng trong các mạng MANET phức tạp, các nút di chuyển nhiều

Một số giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu tiêu biểu như : Giao thức CBRP (Cluster Based Routing Protocol), giao thức AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), giao thức DSR (Dynamic Source Routing), Associativity - Based Routing ( ABR), Signal Stability Routing (SSR), Location Aided Routing (LAR)

1.2.3 Giao thức định tuyến kết hợp

Giao thức định tuyến lai là sự kết hợp của cả hai cơ chế giao thức định tuyến chủ ứng (Proactive) và giao thức định tuyến phản ứng (Reactive) hay gọi là giao thức định tuyến lai (Hybrid) Giao thức này phù hợp với những mạng quy mô, kích thước lớn, mật độ các nút mạng dày đặc

Trong giao thức định tuyến này, mạng được chia thành các vùng Mỗi nút duy trì cả thông tin về kiến trúc mạng trong vùng của nó và thông tin về các vùng láng giềng Đều đó có nghĩa là giao thức Hybrid sử dụng giao thức định tuyến phản ứng giữa các vùng và giao thức định tuyến chủ ứng cho các nút mạng trong cùng vùng Do

đó đường đi đến mỗi nút trong cùng một vùng được lập mà không cần phải định tuyến

ra ngoài vùng, trong khi đó các tiến trình khám phá đường và duy trì đường đi giữa các vùng với nhau

Các giao thức định tuyến tiêu biểu sử dụng kiểu Hybrid: Giao thức ZRP ( Zone Routing Protocol), giao thức ZHLS (Zone-based Hierarchical Link State Routing Protocol), HARP ( Hybrid Ad Hoc Routing Protocol), DDR (Distributed dynamic routing algorihm)

ZRP, ZHLS, HARP là một cách tiếp cận lai ghép dựa trên khái niệm vùng Khác với ZRP và ZHLS, HARP chỉ liên quan đến việc tìm và duy trì một đường đi giữa nút nguồn và nút đích, và để việc tạo ra kiến trúc cho DDR Việc tách này làm đơn giản hóa giao thức định tuyến và tạo cho các giao thức có thiết kế kiểu module Khác với ZHLS và ZRP, HARP giới hạn việc flooding đến 1 tập con các nút chuyển tiếp trong mỗi vùng Điều này làm giảm cả băng thông sử dụng và năng lượng tiêu thụ của các nút không chuyển tiếp HARP áp dụng sự ổn định cấp vùng như là một thông

số của việc xác định tuyến đường không giống như trường hợp của ZRP và ZHLS Không giống giao thức định tuyến trước, HARP áp dụng cơ chế duy trì đường đi sớm thích hợp hơn cho các lớp ưu tiên

1.3 Vấn đề điều khiển lưu thông trên MANET

Giao thức điều khiển truyền là một giao thức được thiết kế để sử dụng việc truyền dữ liệu đáng tin cậy từ điểm này đến điểm khác, đã sử dụng rất hiệu quả trên mạng có dây, những năm gần đây cũng đã có nhiều nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của nó trên mạng MANET Tuy nhiên vấn đề bất lợi của TCP đối với mạng MANET chính là thường xuyên bị tổn thất và mất gói tin bởi nhiều nguyên nhân như: tắc nghẽn mạng, liên kết thất bại, phân vùng…

Mặc dù TCP cung cấp điểm đầu cuối end-to-end đáng tin cậy phân phối dữ liệu trên mạng có dây, một số nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng hiệu suất TCP giảm đáng kể trên mạng MANET Điều này chủ yếu là do TCP xem các gói tin bị mất hoặc chậm trễ như một tín hiệu tắt nghẽn mặc dù trên MANET gặp phải nhiều loại mất hoặc trễ

không liên quan đến tắt nghẽn, các vấn đề trên xảy ra vì TCP không thể thích ứng tốt với các mạng nhiều điểm không dây di động

1.3.1 Cơ chế hoạt động của TCP:

Với đặc điểm truyền dữ liệu tin cậy, cơ chế điều khiển truyền thông linh hoạt, kiểm soát lưu thông trên mạng và tránh tắt nghẽn, TCP được mô tả trong khuôn dạng

dữ liệu sau (hình 1.5):

Hình 1.5 Khuôn dạng dữ liệu TCP

Hoạt động của giao thức TCP:

Giao thức TCP là giao thức hướng kết nối, nó đòi hỏi phải kết nối trước khi truyền dữ liệu và kết thúc kết nối khi việc gửi dữ liệu hoàn tất hoạt động của TCP

(hình 1.6) gồm ba pha như sau:

Thiết lập kết nối:

Để thiết lập kết nối TCP thực hiện quy trình 3 bước như sau:

Máy phục vụ dịch vụ (server) trên mạng phải đăng ký một cổng và mở cổng đó cho các kết nối, đây gọi là mở bị động, khi mở bị động đã được thiết lập thì máy sử dụng dịch vụ (Client) có thể bắt đầu mở chủ động quy trình bắt tay 3 bước diễn ra như sau:

Bước 1: Client mở chủ động bằng cách gửi một segment có cờ SYN được bật (SYN = 1) cho server

Bước 2: Server nhận được Segment nói trên và trả lời bằng 1 segment có cờ SYN và cờ ACK được bật

Bước 3: Khi client nhận được segment của server nó trả lời bằng một segment ACK hồi đáp cho Server

Như vậy qua 3 bước trên cả client và server đã nhận được segment hồi đáp ACK về kết nối, trong đó chứa những thông tin cần thiết cho việc truyền dữ liệu Trong các Segment được gửi trong quá trình thực hiện bắt tay 3 bước trên thì các Segment không chứa phần dữ liệu mà chỉ có các thông tin ở phần đầu (header) của các segment Ở hai bước đầu tiên trong ba bước bắt tay, hai máy tính trao đổi một số thứ

tự Segment ban đầu (Initial Sequence Number-ISN) Số này có thể chọn ngẫu nhiên, sau đó các segment tiếp theo được gửi đi thì số này được tăng lên 1, do đó tại nơi nhận

sẽ sắp xếp chúng lại theo đúng thứ tự ban đầu cho dù chúng có thể đến từ nhiều đường khác nhau

Truyền dữ liệu:

Sau pha kết nối thành công thì quá trình truyền dữ liệu bắt đầu thực hiện Với việc nhận được hay không nhận được Segment hồi đáp ACK sẽ là tín hiệu về đường truyền giữa 2 máy tính Từ đó hai bên có thể thay đổi tốc độ truyền nhận dữ liệu một cách phù hợp với điều kiện hiện tại của mạng

Các Segment hồi đáp ACK có những tham số sau: tham số về cửa sổ truyền, độ trễ của đường truyền, thời gian sống của Segment trên mạng, thời gian RTT (Routing trip time) từ lúc Segment được gửi đi cho đến khi nhận được Segment hồi đáp ACK Khi một liên kết từ đầu cuối tới đầu cuối được thiết lập, TCP sử dụng cửa sổ truyền với tốc độ lớn của cửa sổ thu Nhằm tránh tình trạng bị tràn ở phía thu hoặc vượt quá ngưỡng cho phép ở phía phát, điều này cho phép phía bên thu điều khiển lưu lượng trên mạng TCP phát hiện ra sự nghẽn mạng bằng việc gói tin gửi đi quá thời gian sống (Time Out) nhưng chưa nhận được gói tin hồi đáp ACK hoặc nhận được các gói tin hồi đáp ACK trùng lặp số hiệu

Hình 1.6 Mô hình kết nối yêu cầu – trả lời 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất TCP trong MANET

Ngoài các vấn đề truyền thống của mạng không dây thì môi trường tuỳ biến nhiều điểm di động mang đến nhiều thách thức đối với TCP Dưới đây là một số yếu tố ảnh hướng đến hiệu năng của TCP trong MANET [10]:

Lỗi bít cao (high bit error ratio: hight BER): Liên kết không dây rất nhạy cảm

với tỷ lệ bỗi bít cao do suy giảm tín hiệu, thay đổi Doppler, nhiều đường suy giảm Điều này dẫn đến mất mát các phân đoạn dữ liệu TCP hoặc xác nhận Ack Do đó nơi gửi TCP sẽ không cần thiết để gọi điều khiển tắt nghẽn

Đường bất đối xứng: Trong MANET có thể thể hiện nhiều hình thức như bất

đối xứng băng thông, bất đối xứng tỷ lệ tổn thất, bất đối xứng tuyến Nếu Ack hồi đáp

bị tồn lại, nơi gửi có thể truyền dữ liệu quá tải có thể dẫn đến mất gói tin trên đường

chuyển tiếp Ngoài ra sự gián đoạn của Ack có thể phá vỡ việc tăng cửa sổ trượt và làm suy giảm hiệu suất đối với một phần nhỏ của băng thông có sẵn

Lỗi tuyến: Nguyên nhân chính của lỗi tuyến là do tính di động của nút Thời

hạn thiết lập tuyến phụ thuộc vào giao thức định tuyến cơ bản, mô hình tính di chuyển của nút và đặc điểm thông lượng Có thể việc phát hiện một tuyến mới có thể mất lâu hơn so với RTO tại nơi gửi Kết quả là nơi gửi TCP sẽ không cần thiết để gọi điều khiển tắt nghẽn

Phân vùng mạng: là do tính di động nút hoặc hoạt động hạn chế năng lượng của

các nút Nếu nơi gửi và nơi nhận của một kết nối TCP không có thật nằm trong các phân vùng khác nhau thì các gói tin nơi gửi bị suy giảm bởi mạng này, kết quả tại nơi gửi này được gọi điều khiển tắt nghẽn Việc ngắt kết nối thường xuyên gây ra một tình trạng được gọi là loạt timeout tại nơi gửi TCP Điều này có thể dẫn đến trong suốt khoảng thời gian chờ dài để mạng này được kết nối một lần nữa mà TCP thì vẫn còn ở trạng thái back off

Kích thước cửa sổ tắt nghẽn TCP: Trong MANET, khi các tuyến thay đổi nhiều

lần trong suốt thời gian của một kết nối TCP thì mối quan hệ giữa kích thước của sổ tắt nghẽn và tốc độ dữ liệu chấp nhận được trở nên quá rời rạc (trong một số nghiên cứu thì nếu kích thước cửa sổ tắt nghẽn lớn hơn cận trên thì hiệu năng của TCP sẽ giảm; một nghiên cứu khác khi đưa ra một cấu trúc mạng cụ thể và mô hình luồng, có tồn tại kích thước cửa sổ W* của TCP tối ưu mà TCP đạt được thông lượng tốt nhất, nhưng TCP hoạt động ở kích thước cửa sổ trung bình nghĩa là lớn hơn nhiều với W*; điều này dẫn đến gia tăng gói tin bị mất do sự cạnh tranh trên các kênh không dây)

Sự khan hiếm năng lượng: Bởi vì pin chứa trong các nút di động cung cấp có

giới hạn, thời gian sống bị hạn chế Khi mỗi nút được hoạt động như một router như hệ thống đầu cuối thì việc truyền lại không cần thiết của các đoạn TCP tiêu thụ nguồn năng lượng khan hiếm này gây ra việc sử dụng không hiệu quả năng lượng có sẵn

Định tuyến đa đường: Một số giao thức định tuyến duy trì nhiều tuyến giữa

nguồn và đích để giảm thiểu tần số của tính toán lại tuyến Đôi khi số kết quả này làm

vượt quá gói tin đến tại nơi nhận gây ra trường hợp nhiều ACK trùng lắp mà gây ra nơi gởi gọi điều khiển tắt nghẽn

Sự tương tác giữa giao thức MAC và TCP: trong môi trường đa điểm, sự tương

tác giữa giao thức MAC 802.11 với các cơ chế giao thức TCP có thể dẫn đến các vấn

đề nghiêm trọng như “ảnh hưởng liên kết”, bất đồng one-hop Các nguyên nhân chính gây ra vấn đề này là các trạm ẩn và trạm tiếp xúc của giao thức MAC 802.11

1.3.3 Một số giải pháp để cải thiện hiệu năng của TCP trong MANET

Tăng kích thước cửa sổ với một tốc độ không phụ thuộc RTT: tức là cần phải

tính toán sao cho RTT nhỏ Tuy nhiên, điều này không dễ dàng khi chọn tốc độ tăng kích thước cửa sổ để mạng hoạt động tốt trên phạm vi rộng của RTT Nếu tốc độ tăng

là nhỏ hơn so với tốc độ hiện tại thì các liên kết sẽ chậm, nếu tốc độ là quá nhanh thì

số gói tin mất sẽ lớn khi có nhiều liên kết đang hoạt động và RTT sẽ lớn

Điều chỉnh kích thước cửa sổ theo độ trễ lúc không có lỗi: Tập trung vào việc

so sánh RTT với RTT cực tiểu dựa trên số gói tin chuyển đi được Ý tưởng ở đây là tăng độ đo RTT theo kích thước hàng đợi trong bộ định tuyến Khó khăn trên thực tế là việc ước lượng RTT theo thời gian đợi tại thời điểm bắt đầu của một kết nối Nếu tất

cả các trạm nguồn sử dụng cơ chế này thì sẽ giảm nguy cơ tắt nghẽn

Đánh dấu các gói tin ở bộ định tuyến: Đánh dấu các gói tin ở bộ định tuyến:

Đánh dấu khi có dấu hiệu tắt nghẽn cho đến khi gói tin rơi (ECN: thông báo tắt nghẽn)

để cho trạm nhận gửi thông báo ngược lại đi theo các gói ACK Cơ chế này rất được

ưa chuộng, vì nó dùng để ra hiệu cho trạm nguồn hạ thấp kích thước cửa sổ và thực hiện việc truyền lại các gói tin hỏng

Cải tiến bộ định tuyến: Bằng chương trình hỗ trợ cho việc thông báo rõ tốc độ

truyền tin xác định, nên bộ định tuyến phức tạp hơn Một đề xuất là đánh dấu nhãn gói tin nếu nó có khả năng gây ra lỗi mất gói tin trong tương lai Điều đó có nghĩa là, khi các gói tin đến, bộ định tuyến phải dự báo về gói tin này, hoặc là sẽ bị rơi hoặc là gói tin đó sẽ đến sau Sự quyết định phải dựa trên tải hiện hành của bộ định tuyến

Xây dựng cơ chế điều khiển lỗi cho những liên kết nhiều lỗi: Đây là 5 đề xuất

chính để cải thiện lưu thông trên mạng Tuy nhiên mỗi phương pháp có những ưu và khuyết điểm tiêng dựa trên mô hình cài đặt Vì vậy, có những giải pháp tránh tắt nghẽn hữu dụng trong môi trường bất đối xứng về băng thông, tỷ lệ gói tin được truyền và độ trễ, cụ thể như sau:

- Xử lý nhanh các gói tin đến tại nút mạng, dựa trên chiến lược quản lý hàng đợi thích hợp và cải tiến giap thức ở đầu cuối cho các mô hình mạng đáp ứng với hiệu suất cao

- Có thể tăng, giảm thời gian trả lời ACK để điều chỉnh lưu lượng gói tin đến

Đo các tham số mạng liên quan và theo dõi quá trình thực hiện dựa trên dự trên mô hình kết nối yêu cầu-trả lời (request-response), đặt tầng quan sát tại máy trạm để theo dõi chu kỳ của các quá trình thực hiện trên mạng Dùng timer để biết được gói tin cần bao lâu để được báo nhận của RTT khi bắt đầu yêu cầu gói tin đến, cho đến lúc nhận được đáp ứng trả lời Đồng thời, ghi lại biến cố xảy ra (dựa vào trình tự ACK) như là hiện tượng mất gói tin

- Thiết kế hệ thống phải đảm bảo lưu lượng truyền tối đa nhưng không dẫn đến tắt nghẽn, không để xảy ra hiện tượng thắt nút do sự chênh lệch tốc độ trong thiết kế mạng [8]

1.4 Tiểu kết chương

Trong Chương 1 tôi đã tìm hiểu một số kiến thức cơ bản về mạng tùy biến không dây di động: là tập hợp tất cả các điểm di động, và cũng là tập hợp các thiết bị định tuyến di động được kết nối bởi các liên kết không dây – sự kết hợp này tạo thành một cấu trúc liên kết ngẫu nhiên Các thiết bị định tuyến tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên và chúng tự tổ chức một cách ngẫu nhiên; do đó cấu trúc liên kết không dây có thể thay đổi nhanh chóng và khó lường… Nhờ vào lợi thế không dây và tự do

di chuyển mà mạng MANET phù hợp với các tình huống khẩn cấp như thiên tai, thảm hoạ do con người gây ra, các xung đột quân sự, các tình huống y tế khẩn cấp…

Do tính chất thường xuyên thay đổi cao của mạng MANET đã đặt ra các giới hạn khắc khe về giao thức định tuyến phải thiết kế đặc biệt cho chúng, do đó việc thúc đẩy nghiên cứu giao thức phù hợp nhằm mục đích đạt được ổn định việc định tuyến Giao thức định tuyến được phân thành ba loại chính như: giao thức chủ ứng, giao thức phản ứng, giao thức định tuyến lai

Bên cạnh đó việc nghiên cứu giao thức điều khiển truyền thông TCP phù hợp với mạng này cũng là một thách thức không nhỏ Ngoài các vấn đề truyền thống của mạng không dây thì môi trường tuỳ biến nhiều điểm di động mang đến nhiều thách thức đối với TCP Dưới đây là một số yếu tố gây ra suy giảm trong việc thực hiện của TCP trong MANET: Lỗi bít cao, đường bất đối xứng, lỗi tuyến, phân vùng mạng, kích thước cửa sổ tắt nghẽn TCP, sự khan hiếm năng lượng, định tuyến đa đường, sự tương tác giữa giao thức MAC và TCP…

Chính vì vậy đã có một số nghiên cứu các giải pháp để cải thiện hiệu năng của TCP trong MANET như: Tăng kích thước cửa sổ với một tốc độ không phụ thuộc RTT, điều chỉnh kích thước cửa sổ theo độ trễ lúc không có lỗi, đánh dấu các gói tin ở

bộ định tuyến, cải tiến bộ định tuyến, xây dựng cơ chế điều khiển lỗi cho những liên kết nhiều lỗi…

2.1 Hoạt động của TCP Reno và Vegas

TCP có hai cải tiến cơ bản là TCP-Reno và Vegas, đã có nhiều nghiên cứu đánh giá rằng TCP Vegas thường nhanh hơn so với giao thức TCP-Reno trong mạng cố định Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu để tìm các TCP cải tiến phù hợp với

mục đích cải thiện hiệu năng trên mạng MANET

2.1.1 Giao thức truyền tin TCP Reno

TCP-Reno là một giao thức giao vận cải tiến của TCP được áp dụng rộng rãi trên Internet ngày nay, nơi mà lưu lượng ngày càng tăng nên việc nghiên cứu kết hợp với các giao thức định tuyến trên mạng diện rộng để điều khiển tránh tắt nghẽn là rất

có ý nghĩa Để điều khiển truyền thông, TCP-Reno sử dụng nhiều cơ chế điều khiển tắt nghẽn riêng biệt như: cơ chế bắt đầu chậm, cơ chế tránh tắt nghẽn, cơ chế phát lại nhanh và cơ chế phục hồi nhanh

Trong quá trình truyền tin từ đầu cuối đến đầu cuối (end to end) khi kết nối được thiết lập thành công thì giai đoạn khởi động chập (slow start) được thực hiện hoặc quá trình này được thực hiện sau khi hết hạn thời gian truyền lại của quá trình trước đó Sau khi nhận được ACK thì các gói tin trong cửa sổ sẽ hủy và kết thúc quá

trình gói tin đi trọn một vòng (RTT), lúc này kích thước cửa sổ tăng segment lên 1,

nghĩa là: w(t+1) = w(t) + 1

Và nếu kích thước cửa sổ w ≥ ssth (slow start thresh) thì lúc này sẽ sử dụng cơ

chế tránh tắt nghẽn (congestion window) Giả sử tại thời điểm (t+1) có w ≥ ssth(t) thì

w(t+1) được cập nhật theo công thức w(t+1) = w(t) +1/w(t)

Nếu trạm phát nhận được dấu hiệu tắt nghẽn nghĩa là nhận 3 ACK hồi đáp trùng lắp số liệu, (nếu chờ cho đến khi segment bị time out để tiến trình phát lại thì số gói tin trên mạng sẽ tăng rất nhiều lần dễ dẫn đến nghẽn mạng) Chính vì vậy TCP sử dụng cơ chế phát lại nhanh (Fast Retransmission) để khắc phục tình trạng này

Khi nhận 3 segment ACK trùng lắp thì TCP thực hiện như sau:

- Đặt lại ngưỡng ssth = w(t)/2

- Kích thước cửa sổ được cập nhật w(t+1) =ssth

Tiếp sau cơ chế phát lại nhanh sẽ thực hiện cơ chế khôi phục nhanh (Fast

recovery) đó là khi có segment bị time out: ≥ 3dupACK

- Đặt lại ngưỡng ssth = w(t)/2

- Kích thước cửa sổ được cập nhật w(t+1)=1

Để điều khiển truyền thông TCP Reno sử dụng hầu hết các cơ chế điều khiển của TCP như: Cơ chế cửa sổ trượt, cơ chế bắt đầu chậm, cơ chế tránh tắc nghẽn, cơ chế phát lại nhanh và cơ chế phục hồi nhanh

Thuật toán của TCP Reno[2] như sau:

Ban đầu khi một kết nối được thiết lập thì TCP Reno đặt ngưỡng của cửa sổ phát có độ lớn tối đa và kích thước của cwnd bằng 1 segment

Tại thời điểm (t+1) thì chỉ xảy ra ở 1 trong các trường hợp sau:

* Trường hợp 1: Trạm phát nhận được segment hồi đáp ACK (Truyền nhận

thành công):

Sử dụng cơ chế bắt đầu chậm:

Kích thước cửa sổ được cập nhật: w(t+1) = w(t) + 1 Ngoài ra (Cho trường hợp w>ssth):

Tăng kích thước w theo tuyến tính:

Kích thước cửa sổ được cập nhật: w(t+1) = w(t) +1w(t)

* Trường hợp 2: Trạm phát nhận được 3 segment ACK hồi đáp trùng lặp số

hiệu:

Sử dụng cơ chế phát lại nhanh và phục hồi nhanh:

Đặt lại ngưỡng: ssth = w(t)/2 Kích thước cửa sổ được cập nhật: w(t+1) = ssth

* Trường hợp 3: Khi phát hiện có segment bị quá thời gian chờ

Đặt lại ngưỡng: ssth = w(t)/2 Kích thước cửa sổ được cập nhật: w(t+1) = 1

Cơ chế hoạt động của TCP Reno [2] được thể hiện qua sơ đồ (hình 2.1)

2.1.2 Giao thức truyền tin TCP Vegas

TCP Vegas là một giao thức cải tiến tránh tắt nghẽn, nó được phát triển và kế thừa từ giao thức TCP Reno Thay vì tăng tỷ lệ gửi cho đến khi xảy ta mất gói tin thì TCP Vegas cố gắng để ngăn thiệt hại đó bằng cách giảm tỷ lệ gửi khi nó nhận được tình huống chuẩn bị tắt nghẽn ngay cả khi chưa có dấu hiệu mất các segments Chính

vì vậy TCP Vegas có thể được xem như là một giao thức TCP cải tiến “chủ ứng” và nó trái ngược hoàn toàn với TCP Reno là “phản ứng” vì TCP Reno chỉ xử lý đáp ứng khi xảy ra việc mất các segment

TCP Vegas sử dụng các cơ chế trong quá trình điều khiển truyền thông như: cơ chế cửa sổ trượt (slide windows), cơ chế bắt đầu chậm (slow start), cơ chế tránh tắt nghẽn, cơ chế phát lại nhanh, phục hồi nhanh và cơ chế điều khiển truyền thông của nó

TCP Vegas có cơ chế truyền lại khác so với TCP Reno, nó dựa vào hai giá trị Time out Một là giá trị RTO thô (tức là nhận lại 3dupACK) giống như trong TCP Reno, hai là giá trị RTO mịn dựa vào dự đoán theo dõi RTT(Round trip time) RTT là thời gian được tính từ khi một segment được gửi đi từ trạm phát đến trạm nhận và cho

Fast Retransmission

Retransmission timout

Congestion avoidance

Time Out all ACK

timeout

timeout

w  ssthresh star

t

send missing packet

ACK ACK

Hình 2.1 Sơ đồ cơ chế hoạt động của TCP Reno

nhận được thành công TCP vegas đo RTT trên mỗi phân đoạn được truyền trong cửa

sổ gửi bằng cách đọc đồng hồ hệ thống tại các khở đầu của segment và sau một lần xuất hiện ACK tương ứng Bất cứ khi nào nhận được dupACK, TCP Vegas đều kiểm tra xem sự khác biệt thời gian hiện tại và thời gian đánh dấu ghi lại

Nếu thời gian đo được lớn hơn một RTO mịn (tức là ≥ RTT) thì sẽ thực hiện cơ chế tránh tắt nghẽn, các gói tin được truyền lại ngay lập tức mà không cấn chờ đợi các ACK trùng lắp Nếu thời gian của các RTT giảm thì TCP Vegas nhận biết mạng được khai thông và TCP Vegas tiếp tục thực hiện cơ chế tăng kích thước cửa sổ để tận dụng thông lượng của đường truyền

Các hành động điều khiển tắt nghẽn chủ ứng của Vegas dựa trên phép đo RTT Trên mỗi RTT, vegas tính thông lượng đo thực tế và so sánh nó với thông lượng dự kiến

- Thông lượng dự kiến được tính toán như sau:

Expected= windowsize/BaseRTT

(Trong đó cwnd là kích thước cửa sổ tắc nghẽn hiện tại, mỗi RTT cơ sở là phép

đo RTT quan sát, nếu nhỏ hơn với kết nối và kích thước cửa sổ là số byte hiện tại trong một lượt)

- Thông lượng thực tế được tính như sau:

TCP Vegas là một thuật toán điều khiển tắc nghẽn TCP dựa trên độ trễ của gói tin, chứ không phải là mất gói tin, nó là một dấu hiệu để xác định tỷ lệ để gửi gói tin đi

TCP Vegas phát hiện tắc nghẽn dựa trên độ tăng giá trị Round Trip Time (RTT) của các gói tin trong kết nối không giống như TCP Reno chỉ phát hiện tắc nghẽn sau khi nó đã thực sự xảy ra thông qua việc các gói gửi đi bị giảm xuống

Thuật toán của TCP Vegas phụ thuộc rất nhiều vào tính chính xác của giá trị BaseRTT BaseRTT được thiết lập là tối thiểu của tất cả các RTTs đo được; nó thường được lấy là RTT của các segment đầu tiên được gửi bởi các kết nối

TCP Vegas định nghĩa ba giá trị ,  và  Nút nguồn so sánh  với  trong giai đoạn bắt đầu chậm và so sánh với các giá trị ,  trong giai đoạn tránh tắc nghẽn để điều chỉnh kích thước cửa sổ gửi sau mỗi vòng round trip times (RTTs) và tính các giá

trị, được thể hiện qua cơ chế (hình 2.2)

Hình 2.2 Cơ chế điểu khiển cửa sổ truyền tin của TCP Vegas

Trong cơ chế bắt đầu chậm, khi nhận một ACK mới và  nhỏ hơn , nút nguồn tăng cwnd thêm 1, ngược lại cwnd giảm một lượng bằng p%, ssthresh được đặt lại bằng cwnd và chuyển sang cơ chế tránh tắc nghẽn Như vậy, cơ chế bắt đầu chậm được khởi động tại thời điểm ban đầu hoặc sau sự kiện timeouts và kết thúc khi cwnd lớn hơn ngưỡng ssthresh Kích thước cửa sổ trong cơ chế bắt đầu chậm được mô tả

if cwnd

cwnd

)1(

*1

Trong cơ chế tránh tắc nghẽn, khi nhận một ACK mới, nút nguồn tăng kích thước cửa sổ thêm 1/cwnd nếu  nhỏ hơn , giảm một lượng 1/cwnd nếu  lớn hơn ,

và không đổi khi  nằm trong khoảng  và  Kích thước cửa sổ trong cơ chế tránh tắc nghẽn được mô tả như sau:

if cwnd

if cwnd cwnd

cwnd

11

Trong đó: thường thì ,  và  được thiết lập lần lượt bằng 1, 3 và 1 Trong giai đoạn tránh tắc nghẽn còn có hai cơ chế phát lại nhanh và phục hồi nhanh cho phép giải quyết nhanh chóng tình trạng tắc nghẽn mạng TCP Vegas nhanh chóng phát lại các gói tin bị mất khi nhận ba ACKs lặp mà không quan tâm đến thời gian hết hạn của gói tin

Hoạt động của TCP Vegas[2] được thể hiện qua sơ đồ (hình 2.3)

New ACK New ACK

Vegas Slow startSlow start

Fast recoveryFast recovery

Time Out all ACK

Time out

Time out

w  ssthresh star

t

send missing packet

non-dup ACK

 3 dup ACK

 3 dup ACK

w=w+1 dup ACK w≤ ssthresh

Hình 2.3 Cơ chế hoạt động của TCP Vegas

Vegas Fast Retransmission w=(3/4)*w

Vegas Congestion avoidance

Retransmission timeout

w = w - 1/w else w=w

Δ

2.2 Hoạt động của giao thức định tuyến vùng (ZRP)

Giao thức định tuyến cho mạng tùy biến di động phải đối mặt với những thách thức của việc thường xuyên thay đổi cấu trúc liên kết, năng lượng cho việc truyền tải thấp và các liên kết bất đối xứng Cả hai giao thức định tuyến chủ ứng và phản ứng đã được chứng minh không hiệu quả trong nhiều trường hợp Giao thức định tuyến vùng (ZRP) kết hợp những ưu điểm của các phương pháp giao thức chủ ứng và phản ứng bằng cách duy trì một bản đồ cấu trúc liên kết up-to-date của một trung tâm vùng trên mỗi nút Trong vùng này các tuyến có sẵn ngay lập tức, với đích nằm bên ngoài vùng, ZRP áp dụng một thủ tục khám phá tuyến có thể có lợi từ thông tin định tuyến cục bộ của vùng

Định tuyến chủ ứng sử dụng vượt quá băng thông để duy trì thông tin định tuyến, trong khi đó định tuyến phản ứng cũng không có hiệu quả trong độ trễ yêu cầu tuyến dài Định tuyến phản ứng cũng kém hiệu quả trong tràn toàn bộ mạng để xác định tuyến Giao thức định tuyến vùng (ZRP) giải quyết vấn đề bằng cách kết hợp các đặc tính tốt nhất của cả hai phương pháp Vì vậy ZRP có thể được phân loại như giao thức định tuyến lai giữa phản ứng và chủ ứng

Trong mạng Ad hoc, có thể giả định rằng phần lớn thông lượng là hướng đến các nút lân cận Vì vậy ZRP làm giảm phạm vi chủ ứng đến vùng trung tâm trên mỗi nút Trong một vùng được giới hạn, việc duy trì thông tin định tuyến sẽ dễ dàng hơn

và số lượng thông tin định tuyến sử dụng cũng sẽ giảm thiểu Tuy nhiên, các nút xa hơn có thể đạt được với định tuyến phản ứng, vì tất cả các nút chủ ứng lưu trữ thông tin định tuyến cục bộ, các yêu cầu tuyến có thể được thực hiện hiệu quả mà không truy vấn tất cả các nút trong mạng

Mặc dù sử dụng theo vùng, ZRP có một quan điểm phẳng trên mạng, bằng cách này, phần trên liên quan đến giao thức phân cấp có thể tránh được Giao thức định tuyến phân cấp phụ thuộc vào sự phân công chiến lược của các cổng hay địa điểm để mỗi nút có thể truy cập tất cả các cấp độ, đặc biệt ở cấp cao nhất Các nút thuộc mạng con khác nhau phải gửi thông điệp liên lạc của chúng đến các mạng con để phổ biến