Đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến AODV và AOMDV trong mạng ad hoc

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu đề tài “ Đánh giá hiệu giao thức định tuyến AODV AOMDV mạng Ad Hoc ” hoàn thiện Để đạt kết này, em nỗ lực đồng thời nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ ủng hộ thầy cô, gia đình bạn bè Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Mạng truyền thông - Khoa Công Nghệ Thông Tin - Trường ĐH CNTT&TT tạo điều kiện cho em thực đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giáo tận tình giảng dạy, trang bị cho chúng em kiến thức quý báu năm học vừa qua Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn ThS Đỗ Đình Cường tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo đóng góp ý kiến cho em suốt thời gian thực đồ án Mặc dù em nỗ lực để hoàn thành đồ án song không tránh khỏi thiếu sót kính mong góp ý thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Thị Yến LỜI CAM ĐOAN Em xin hứa toàn việc làm đồ án em làm có tham khảo tài liệu tham khảo Đồ án em không trùng lặp với đồ án mà em thầy giáo hướng dẫn biết Thái nguyên, ngày 08 tháng 06 năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Yến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD-HOC 1.1 MỞ ĐẦU 9 1.2 KHÁI NIỆM 10 1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG AD-HOC 11 1.4 NHỮNG THÁCH THỨC ĐỐI VỚI MẠNG AD HOC 13 1.4.1 Chi phí cho việc sử dụng tần số 1.4.2 Cơ chế truy nhập 13 13 1.4.3 Định tuyến chuyển tiếp gói tin 14 1.4.4 Hiệu sử dụng nguồn nuôi 14 1.4.5 Đặc tính TCP 14 1.4.6 Chất lượng dịch vụ (QoS) 15 1.5 ỨNG DỤNG 15 1.5.1 Dịch vụ khẩn cấp 16 1.5.2 Hội nghị 16 1.5.3 Home Networking 17 1.5.4 Mạng cá nhân (PAN) 17 1.5.5 Hệ thống nhúng (embeded system) 18 1.5.6 Mạng xe cộ (vehicular network) 18 1.5.7 Mạng cảm biến (sensor network) 19 1.6 VẤN ĐỀ AN NINH 19 CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC 21 2.1 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỔ ĐIỂN 21 2.1.1 Định tuyến dựa trạng thái liên kết 22 2.1.2 Định tuyến dựa vector khoảng cách 22 2.2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD HOC 23 2.2.1 Các yêu cầu chung 23 2.2.2 Phân loại 26 2.3 AD HOC ON- DEMAND DISTANCE VECTOR ROUTING (AODV) 30 2.3.1 Khám phá tuyến 32 2.3.2 Thiết lập tuyến đường ngược 33 2.3.3 Thiết lập tuyến đường thuận 34 2.3.4 Quản lý bảng định tuyến 2.3.5 Duy trì tuyến 36 36 2.3.6 Xử lý lỗi, hết hạn xóa bỏ tuyến 2.3.7 Quản lý kết nối nội vùng 2.3.8 Sửa chữa nội vùng 37 39 40 2.4 AD HOC ON- DEMAND MULTIPATH DISTANCE VECTOR ROUTING (AOMDV) 42 CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHẦN MỀM NS2 VÀ ỨNG DỤNG XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG GIAO THỨC MẠNG 45 3.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NS2 3.1.1 Tổng quan NS2 45 3.1.2 Kiến trúc NS2 45 3.1.3 Đặc điểm NS-2 49 45 3.2 CÁC BƯỚC CƠ BẢN MÔ PHỎNG KỊCH BẢN TRONG NS-2 3.2.1 Khởi tạo kết thúc 50 3.2.2 Định nghĩa nút mạng liên kết 51 50 3.2.3 Khởi tạo node 54 3.2.4 Khởi tạo link 55 3.2.5 Khởi tạo Network Agents 56 3.2.6 Các loại traffic 57 3.2.7 Các dịch vụ Internet 59 3.2.8 Tracing 60 3.3 SỬ DỤNG PHẦN MỀM NS-2 ĐỂ MÔ PHỎNG MẠNG 3.3.1 Cơ Tcl 62 62 3.3.2 Thực mô mạng không dây NS2 63 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNGGIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV VÀ AOMDV TRONG AD-HOC 70 4.1 THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC MẠNG AD HOC 4.1.1 Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin 70 70 4.1.2 Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối 70 4.1.3 Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối 71 4.2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG DỰA TRÊN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 71 4.2.1 Cách thức phân tích kết mô NS-2 4.2.2 Công cụ phân tích kết mô Perl 4.2.3 Mô hình hóa kịch mô 73 4.2.4 Khảo sát phân tích kết 74 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 82 72 71 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình mô tả khái niệm mạng Ad hoc 10 Hình 1.2 Ứng dụng cho dịch vụ khẩn cấp có thiên tai 16 Hình 1.3 Ứng dụng hội nghị 17 Hình 1.4 Ứng dụng cho home networking Hình 1.5 Ứng dụng cho mạng cá nhân 18 Hình 1.6 Ứng dụng cho mạng xe cộ 19 17 Hình 2.1 Hệ tọa độ mô tả môi trường mạng Ad Hoc Hình 2.2 Các dạng định tuyến mạng Ad-hoc 24 26 Hình 2.3 Phân loại giao thức định tuyến mạng Ad hoc Hình 2.4 Quá trình khám phá tuyến AODV 32 Hình 2.5 Thiết lập tuyến đường ngược 34 Hình 2.6 Thiết lập tuyến đường thuận 35 Hình 3.1 Mô hình đơn giản NS 46 Hình 3.2 Luồng kiện cho file Tcl chạy Nam Hình 3.1 Kiến trúc NS2 47 Hình 3.2 TclCL hoạt động liên kết A B 48 Hình 3.5 Sự liên kết đối tượng NS 54 Hình 3.6 Node unicast node multicast 55 Hình 3.7 Link 56 Hình 3.8 Chèn đối tượng trace 61 Hình 4.1 Một mô hình kịch mô 73 Hình 4.2 Simulation Time Vs Packet Delivery Ratio 75 Hình 4.3 Simulation Time Vs Packets Dropped 76 Hình 4.4 Simulation Time Vs Throughput (Mbps) 77 Hình 4.5 Simulation Time Vs End-to-End Delay (Sec) 78 Hình 4.6 Simulation Time Vs Routing overhead 79 47 27 BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết Chữ đầy đủ Chữ tiếng Việt ABR Associativity-Based Routing Định tuyến theo liên kết ACK Acknowledgement Báo nhận AODV Ad Hoc On-Demand Distance Giao thức định tuyến vector khoảng Vector cách theo yêu cầu Ad hoc Ad Hoc On-Demand Multipath Giao thức định tuyến vector khoảng Distance Vector cách theo yêu cầu Ad hoc đa đường BS Base station Trạm gốc CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định DEST Destination Đích DHCP Dynamic host configuration Giao thức cấu hình host động tắt AOMDV protocol FDMA Frequency division multiple Đa truy cập phân chia theo sóng access IEEE Institute of electrical and Học viện kĩ sư điện điện tử electronics engineers LAN Local area network Mạng cục MAC Media access control Điều khiển truy cập đường truyền MANET Mobile ad hoc network Mạng di động không dây tùy biến QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ TCP Transmission power control Điều khiển công suất truyền TTL Time to Live Thời gian sống VANET Vehicular Ad Hoc Network Mạng xe cộ ad hoc WLAN Wireless local area network Mạng không dây cục LỜI MỞ ĐẦU Cùng với gia tăng nhanh chóng số lượng công nghệ thiết bị di động kéo theo nhu cầu người sử dụng công nghệ không dây ngày cao đa dạng.Vì để đáp ứng xu đó, mạng thông tin không dây ngày phải gánh vác trọng trách lớn giải vấn đề lưu lượng đa phương tiện, tốc độ cao, chất lượng ngày phải tốt Song song với yêu cầu hỗ trợ đa phương tiện với chất lượng dịch vụ (QoS) đảm bảo, công nghệ giao tiếp không dây khác xuất hiện, Ad hoc kiểu mạng thông tin không dây linh hoạt Đó tập hợp hai hay nhiều thiết bị trang bị khả nối mạng truyền thông không dây Các thiết bị giao tiếp với nút mạng khác vùng phủ sóng hay thiết bị không dây khác bên với điều kiện có nút trung gian để chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích Ad hoc có khả tự tổ chức thích nghi, hình thành bị giải tán lúc mà không cần đến quản trị hệ thống Ad hoc có nhiều dạng khác di chuyển, đứng độc lập hay nối mạng Các nút mạng phát có mặt thiết bị khác giải vô tuyến thực bắt tay cần thiết phép truyền thông, chia sẻ thông tin dịch vụ Topo mạng thông tin tùy biến thay đổi động thiết bị không bị ràng buộc vào vị trí cụ thể nên việc truy nhập phương tiện tập trung Giao thức định tuyến phải giảm lưu lượng điều khiển, đơn giản tính toán đường định tuyến Chính giao thức định tuyến đóng vai trò quan trọng vận hành mạng Ad hoc Đề tài có ý nghĩa thiết thực việc nghiên cứu phát triển môi trường giả lập mạng, đồng thời xây dựng nên sở tảng lý thuyết xây dựng môi trường công cụ giả lập mạng 10 Hình 4.1 Một mô hình kịch mô Các kịch xây dựng quy mô mạng trường học trải rộng diện tích 1000m x 500m (1Km x 0,5Km) Các nút mạng đầu cuối vô tuyến server phân bố ngẫu nhiên vùng địa lý Trong kịch bản, nút di động trao đổi lưu lượng liệu với server Di chuyển nút cấu hình với mobility config với chế độ di chuyển ngẫu nhiên nhằm mô tả di chuyển giống thực tế, nút di chuyển với vận tốc tối đa 20m/s tùy theo kịch khác  Khảo sát phân tích kết Trong mục thực phân tích kết mô thu đồng thời đánh giá hiệu giao thức AODV AOMDV thông qua thông số đầu vào 85 Bảng 4.2 Cấu hình mạng mô Thông số Giá trị Cấu hình chung Khu vực địa lý 1Km x 0,5Km Số nút 5, 6, 9, 25 Cấu hình di chuyển Tốc độ di chuyển nhanh 20 m/s 72 km/h Tốc độ di chuyển chậm m/s Đứng yên Cấu hình truyền liệu Dạng truyền thông TCP / UDP Số kết nối 1, 2, 4, 6, 10 Tốc độ gói tin gói tin /giây Kích thước gói tin 512 bytes Thời gian tạm dừng 0s  Tỷ lệ chuyển tiếp gói tin Hình 4.2 biểu diễn tỷ lệ chuyển tiếp gói tin giao thức AODV, AOMDV Bảng 4.3 Simulation Time Vs Packet Delivery Ratio 86 Hình 4.2 Simulation Time Vs Packet Delivery Ratio Nhìn vào bảng số liệu hình vẽ ta thấy tỷ lệ chuyển tiếp gói tin AOMDV cao hơn, có sẵn nhiều đường so với AODV không phân biệt biến thể di động Khi liên kết trở sử dụng kết tình trạng tắc nghẽn thất bại, giao thức định tuyến đa đường chuyển hướng lưu lượng truy cập thông qua đường thay 87  Số gói tin bị Bảng 4.4 Simulation Time Vs Packets Dropped Hình 4.3 Simulation Time Vs Packets Dropped Nhìn vào bảng số liệu hình vẽ ta thấy số lượng gói tin bị AOMDV luôn so với AODV Thuộc tính đa đường AOMDV giúp làm giảm gói tin bị  Thông lượng trung bình 88 Bảng 4.5 Simulation Time Vs Throughput (Mbps) Hình 4.4 Simulation Time Vs Throughput (Mbps) Do số đặc tính vốn có AOMDV cân tải băng thông, AOMDV làm tốt AODV Khi liên kết sử dụng nhiều nguyên nhân gây tắc nghẽn, AOMDV lựa chọn chuyển hướng truy cập thông qua đường luân phiên thông lượng mạng tăng lên  Độ trễ trung bình 89 Bảng 4.6 Simulation Time Vs End-to-End Delay (Sec) Hình 4.5 Simulation Time Vs End-to-End Delay (Sec) Giao thức AOMDV thiết kế để dùng cho nhiều đường kiến trúc mạng, bước tiến việc đạt chất lượng dịch vụ QoS cao, việc chậm trễ trình gửi gói liệu so với giao thức AODV 90  Routing overhead Bảng 4.7 Simulation Time Vs Routing overhead Hình 4.6 Simulation Time Vs Routing overhead Theo bảng số liệu hình vẽ ta thấy Routing Overhead AOMDV nhỏ so với AODV, tần số khám phá tuyến AOMDV nhiều đường định tuyến có sẵn Quá trình khám phá tuyến đường cần thiết toàn đường liên kết rời bị thất bại Xác suất cho 91 tình nhỏ 92 KẾT LUẬN Mạng Ad-hoc tham gia vào mặt sống hứa hẹn phát triển mạnh mẽ tương lai Do phần công nghệ mạng không dây nên mạng Ad-hoc thừa hưởng nhiều ưu điểm mạng không dây đồng thời có ưu đặc biệt mà mạng khác Đồ án nhìn nhận tổng quan mạng Ad-hoc Ngoài ra, đồ án tập trung vào nghiên cứu giao thức định tuyến mạng Ad hoc nay, cụ thể giao thức AODV AOMDV Đồng thời sử dụng công cụ mô NS2 để phân tích đánh giá chất lượng giao thức định tuyến mạng Ad-hoc Qua đó, thấy mạnh hạn chế loại giao thức; giao thức đáp ứng đủ tiêu chuẩn mạng Ad-hoc mặt QoS, bảo mật Mạng Ad-hoc công nghệ vài năm gần Việt Nam chưa có nhiều kết thử nghiệm, đánh giá Do đó, việc tham gia hạn chế, với người nghiên cứu có cách dùng mô Chính vậy, định hướng phát triển em việc nghiên cứu lí thuyết, tìm hiểu sâu công cụ mô NS2 để có kết mô xác đầy đủ Đồng thời em sâu tìm hiểu khả triển khai mạng Ad-hoc vào thực tiễn Việt Nam Trong tương lai, em mong muốn tiếp tục nghiên cứu vấn đề phát triển mở rộng Cũng thời gian nghiên cứu nên không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận nhận xét, đóng góp ý kiến thầy cô môn khoa để đồ án em nghiên cứu sau thành công 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh  Subir Kumar Sarkar, T G Basavaraju, C Puttamadappa, “Ad hoc Mobile Wireless Network Principles, protocols, and Applications”, Auerbach Publications, 2007  Amitabh Mishra, “Security and quality of service in Ad hoc wireless networks”, Cambridge University Press, 2008  Krishna Gorantala, “Routing Protocols in Mobile Ad hoc network”, June 15, 2006  Azzedine Boukerche, “Algorithms and protocols for wireless and mobile Ad hoc network”, Wiley, 2009  A Boukerche, “Performance Evaluation of Routing Protocols for Ad Hoc Wireless Networks”, Mobile Networks and Applications, 9, pp 333-342, 2004  Lee Kok Thong, “Performance Analysis of Mobile Ad Hoc Networking Routing Protocols”, Naval Postgraduate School, December 2004  Ad Hoc Networks Technologies And Protocols, Springer Science +Business Media, 2005  Network Simulator-2: http://www.isi.edu/nsnam/ns/ accessed on May 2015 Tiếng Việt  Nguyễn Đình Việt, “Đánh giá hiệu mạng máy tính”, Hà Nội, 2008  Vũ Huy Cương, DT3K49, ĐATN, “Đánh giá thông lượng giao thức định tuyến mạng Ad hoc” 94 PHỤ LỤC 1.Bảng trường phụ thêm vào cấu trúc tệp vết phụ thuộc vào kiểu gói tin Event ARP Trace Type Value - [%s %d/%d %d/%d] string Request or Reply Gói tin yêu cầu Trả lời int Source MAC Address Địa MAC nguồn int AODV Trace Ý Nghĩa Source Address Destination MAC int Address int Destination Address [0x%x %d %d [%d %d] [%d %d]] (REQUEST) hexadecimal Type Địa nguồn Địa MAC đích Địa đích Kiểu int Hop Count Số Hop tính int Broadcast ID ID quảng bá int Đích int Destination Destination Sequence Number Source int Source Sequence Number int Số thứ tự nút đích Nguồn Số thứ tự nút nguồn [0x%x %d [%d %d] %f] (%s) hexadecimal Type Kiểu int Hop Count Số Hop tính int Destination Destination Sequence Number Lifetime Operation (REPLY, ERROR, HELLO) Đích int double string Số thứ tự nút đích Thời gian sống Hoạt động: Trả lời, Lỗi hay gói tin Hello 2.Mô mạng Adhoc set val(chan) Channel/WirelessChannel set val(prop) Propagation/TwoRayGround ;# radio-propagation 95 ;# channel type model set val(netif) Phy/WirelessPhy ;# network interface type set val(mac) Mac/802_11 ;# MAC type set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ;# interface queue type set val(ll) LL ;# link layer type set val(ant) Antenna/OmniAntenna set val(ifqlen) 50 ;# antenna model ;# max packet in ifq set val(nn) ;# number of mobilenodes set val(rp) AODV ;# routing protocol set val(x) 1000 ;# X dimension of topography set val(y) 500 ;# Y dimension of topography set val(stop) 150 ;# time of simulation end set ns [new Simulator] set tracefd [open kb1aodv.tr w] set namtrace [open kb1aodv.nam w] $ns trace-all $tracefd $ns namtrace-all-wireless $namtrace $val(x) $val(y) set topo [new Topography] $topo load_flatgrid $val(x) $val(y) create-god $val(nn) $ns node-config -adhocRouting $val(rp) \ -llType $val(ll) \ -macType $val(mac) \ -ifqType $val(ifq) \ -ifqLen $val(ifqlen) \ -antType $val(ant) \ -propType $val(prop) \ -phyType $val(netif) \ 96 -channelType $val(chan) \ -topoInstance $topo \ -agentTrace ON \ -routerTrace ON \ -macTrace OFF \ -movementTrace ON for {set i 0} {$i < $val(nn) } {incr i} { set node_($i) [$ns node] $node_($i) random-motion 0; # disable random motion $node_($i) set Z_ 0.0 } $node_(0) set X_ 50 $node_(0) set Y_ 250 $node_(4) set X_ 350 $node_(4) set Y_ 50 $ns at 10.0 "$node_(0) setdest 250.0 250.0 3.0" $ns at 25.0 "$node_(4) setdest 50.0 50.0 20.0" set udp [new Agent/UDP] set null [new Agent/Null] $ns attach-agent $node_(0) $udp $ns attach-agent $node_(4) $null $ns connect $udp $null set cbr [new Application/Traffic/CBR] $cbr attach-agent $udp $cbr set packetSize_ 512 $cbr set interval_ 0.25 $cbr set random_ $cbr set maxpkts_ 10000 $ns at 1.1 "$cbr start" 97 # Define node initial position in nam for {set i 0} {$i < $val(nn)} { incr i } { # 30 defines the node size for nam $ns initial_node_pos $node_($i) 30} # Telling nodes when the simulation ends for {set i 0} {$i < $val(nn) } { incr i } { $ns at $val(stop) "$node_($i) reset";} # ending nam and the simulation $ns at $val(stop) "$ns nam-end-wireless $val(stop)" $ns at $val(stop) "stop" $ns at 150.01 "puts \"end simulation\" ; $ns halt" proc stop {} { global ns tracefd namtrace $ns flush-trace close $tracefd close $namtrace exec nam kb1aodv.nam & exit } $ns run 98 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 99 ... PHỎNG MẠNG 3.3.1 Cơ Tcl 62 62 3.3.2 Thực mô mạng không dây NS2 63 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNGGIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV VÀ AOMDV TRONG AD- HOC 70 4.1 THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC MẠNG AD HOC. .. loại giao thức định tuyến mạng Ad- Hoc + Hoạt động số giao thức định tuyến AODV AOMDV mạng Ad- Hoc  GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỔ ĐIỂN Định tuyến đơn giản tìm đường từ mạng đến mạng khác Thông tin... cho mạng không dây nói chung mạng Ad- Hoc nói riêng 26 CHƯƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC Chương đề cập đến chủ đề + Tổng quan định tuyến mạng Ad- Hoc + Vấn đề định tuyến phân loại giao thức định