Nghiên cứu, đánh giá hiệu năng của giao thức TORA và DSR trong mạng MANET

Năm 1994 hãng Ericsson đề xuất việc nghiêncứu và phát triển giao diện vô tuyến công suất nhỏ, chi phí thấp, sử dụng sóng vôtuyến để kết nối không dây giữa các thiết bị di động với nhau v

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn trường Đại học công nghệ thông tin & truyềnthông Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện cho em thực hiện đề tài đồ án tốt

nghiệp này Em xin chân thành cảm ơn cô : Dương Thúy Hường đã tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Em cũng xin chânthành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa đã tận tình giảng dạy, trang bị chochúng em những kiến thức cần thiết trong suốt quá trình học tập ở trường đã giúp

đỡ và động viên trong suốt quá trình thực hiện đồ án Mặc dù đã cố gắng hoànthành đề tài với tất cả những nỗ lực của bản thân, song không tránh khỏi nhữngthiếu sót nhất định, kính mong sự cảm thông và tận tình chỉ bảo của các thầy côgiáo, sự góp ý của các bạn để chương trình của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái nguyên, tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tuyên

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong đồ án là sản phẩm của riêng cánhân tôi, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của đồ án,những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiềunguồn tài liệu Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được tríchdẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luậttheo quy định cho lời cam đoan của mình.

Thái nguyên, tháng 6 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Tuyên

M C L CỤC LỤC ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

1.1 Giới thiệu chung 9

1.2 Phân loại mạng không dây 10

1.2.1 Theo qui mô triển khai mạng: 10

1.2.2 Theo quan hệ di động của các bộ định tuyến và nút mạng 12

1.3 Mạng Ad Hoc (MANET) 13

1.3.1 Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng Ad Hoc 13

1.3.2 Một số mạng Ad hoc điển hình 15

1.3.3 Các ứng dụng của mạng Ad hoc 16

1.4 Tổng quan về định tuyến trong mạng Ad Hoc 17

1.4.1 Tổng quan 17

1.4.2 Phân loại 18

1.5 Giao thức định tuyến DSR 21

1.5.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery) 21

1.5.2 Cơ chế duy trì thông tin định tuyến (Route Maintanance) 22

1.6 Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm) 23

1.6.1 Chức năng giao thức 24

1.6.2 Tạo đường trong TORA 25

1.7 Lý thuyết đánh giá hiệu năng mạng 26

1.8 Lựa chọn phương pháp đánh giá hiệu năng mạng 26

1.9 Tóm tắt chương 28

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA 29

GIAO THỨC TORA, DSR 29

2.1.1 Giới thiệu 29

2.1.2 Các đặc điểm chính của NS2 30

2.1.3 Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS2 32

2.1.4 Quá trình mô phỏng mạng MANET với NS2 38

2.1.5 Cấu trúc tệp vết đối với mạng di động không dây theo chuẩn 802.11 40

2.1.6 Xử lý file dữ liệu với Perl 45

2.2 Các thông số đánh giá hiệu năng mạng 45

2.3 Tiêu chí đánh giá hiệu năng hoạt động hai giao thức TORA và DSR 46

2.3.1 Số liệu định tính 46

2.3.2 Số liệu định lượng 48

2.3.3 Thông số đánh giá sử dụng trong đồ án 49

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HAI GIAO THỨC TORA VÀ DSR 52

3.1 Mô phỏng mạng Ad hoc 52

3.2 Các kịch bản mô phỏng cho 2 giao thức TORA và DSR 53

3.2.1 Kịch bản mô phỏng giao thức DSR 54

3.2.2 Kịch bản mô phỏng giao thức TORA 56

3.2.3 Thực hiện mô phỏng 58

3.3 So sánh hiệu năng mạng của hai giao thức 59

3.3.1 Trường hợp số nguồn phát thay đổi 60

3.3.2 Trường hợp số nút tham gia thay đổi 65

3.3.3 Kết luận 66

3.4 Tóm tắt chương 67

KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Tổng quan về mạng vô tuyến 9

Hình 2:Tổng quát về các chuẩn mạng không dây 10

Hình 3: Minh họa mạng không dây cố định 12

Hình 4: Minh họa mạng không dây với các điểm truy cập cố định 12

Hình 5: Minh họa mạng di động tùy biến 13

Hình 6: Mô hình mạng không dây Ad hoc 14

Hình 7: Mạng Ad Hoc điển hình 15

Hình 8: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc 19

Hình 9 : Minh họa cơ chế duy trì thông tin định tuyến 23

Hình 10: Việc tạo tuyến và đảm bảo tuyến trong TORA 23

Hình 11:Mô hình tổng quan bộ mô phỏng NS-2 29

Hình 12: Một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch 35

của CMU mở rộng ra NS 35

Hình 13: Một SRNode dưới chuẩn wireless của Monarch của 36

CMU mở rộng ra NS 36

Hình 14: Hình ảnh của topo mạng trong NAM với 15 node 58

Hình 15: Hình ảnh của topo mạng trong NAM với 30 node 58

Hình 16:Thông lượng trung bình toàn mạng giao thức DSR và TORA 60

(với 1 nguồn phát) 60

Hình 17:Thông lượng trung bình toàn mạng giao thức DSR và TORA 60

(với 3 nguồn phát) 60

Hình 18:Thông lượng trung bình toàn mạng giao thức DSR và TORA 61

(với 5nguồn phát) 61

Hình 19:Độ trễ trung bình giao thức DSR và TORA(với 1nguồn phát) 62

Hình 20:Độ trễ trung bình giao thức DSR và TORA(với 3nguồn phát) 62

Hình 21:Độ trễ trung bình giao thức DSR và TORA(với 5 nguồn phát) 63

Hình 22:Tỷ lệ mất gói tin của giao thức DSR và TORA(với 1nguồn phát) 63

Hình 23:Tỷ lệ mất gói tin của giao thức DSR và TORA(với 3nguồn phát) 64

Hình 24:Tỷ lệ mất gói tin của giao thức DSR và TORA(với 5 nguồn phát) 64

Hình 25 : Thông lượng trung bình 65Hình 26 : Độ trễ trung bình giao thức DSR và TORA khi số nút thay đổI 65Hình 27: Tỉ lệ nhận tin thành công của giao thức DSR và TORA khi số nút thayđổi 66

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TORA Temporally-Ordered Routing Algorithm

AP Access Point

BSS Basic Service Set

DSR Dynamic Source Routing

ESS Extended Service sets

IBSS Independent Basic Service sets

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LAN Local Area Network

MANET Mobile Ad Hoc Network

RREP Route Reply

RREQ Route Request

RRER Route Error

UWB Ultra-WideBand

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WLAN Wireless Local Area Network

WPAN Wireless Persional Area Network

WUSB Wireless Universal Serial Bus

WWAN Wireless Wide Area Network

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nhu cầu truyền thông ngày càng lớn với những dịch vụ chấtlượng cao, đòi hỏi cần phải có cơ sở hạ tầng đảm bảo cho quá trình truyền thôngtrên nhiều môi trường khác nhau Đặc biệt sự ra đời mạng không dây đã đáp ứngmột phần giải quyết cho việc truyền thông trên những địa hình di động mà mạng

đặc biệt MANET (Mobile Wireless Adhoc Network) cho phép các máy tính diđộng thực hiện kết nối và truyền thông với nhau không cần dựa trên cơ sở hạtầng mạng có dây Trong MANET mọi nút mạng đều có thể thực hiện chức năngcủa một router, chúng cộng tác với nhau, thực hiện chuyển tiếp các gói tin hộ cácnút mạng khác nếu các nút mạng này không thể truyền trực tiếp với nút nhận.Định tuyến là bài toán quan trọng nhất đối với việc nghiên cứu mạng MANET.Cho đến nay, đã có nhiều thuật toán định tuyến được đề xuất, mỗi thuật toán đều

có các ưu và nhược điểm riêng Một số thuật toán là ưu việt hơn các thuật toánkhác trong điều kiện các nút mạng di động ở mức độ thấp nhưng lại kém hơn hẳnkhi mức độ di động của các nút mạng tăng cao Đề tài đồ án này nhằm mục đíchđánh giá hiệu năng của hai giao thức định tuyết trong mạng MANET là DSR vàTORA

Đề tài gồm có 3 chương:

- Chương 1: Cơ sở lý thuyết

- Chương 2: Cơ sở đánh giá hiệu năng giao thức TORA, DSR

- Chương 3:Xây dựng chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng hai

giao thức TORA và DSR

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung

Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị di động nênkhông bị ràng buộc cố định về phân bố địa lý như trong mạng hữu tuyến Ngoài

ra, trong quá trình hoạt động chúng ta còn có thể dễ dàng bổ sung hay thay thếcác thiết bị tham gia mạng mà không cần phải cấu hình lại toàn bộ topology củamạng Trong đó, mô hình mạng MANET (Mobile Ad Hoc Network) là một trongnhững mô hình mạng không dây được ứng dụng hầu hết trong các lĩnh vực quân

sự, hàng không, vận tải tàu biển việc triển khai hệ thống mạng không đòi hỏinhiều về cơ sở hạ tầng mạng, không cần thiết phải có các thiết bị điều khiểntrung tâm và không phụ thuộc vào vị trí địa lý

Khác với các hệ thống mạng có dây, việc định tuyến tìm đường đi tối ưu

để truyền dữ liệu trong các hệ thống mạng không dây khá phức tạp, đòi hỏi phải

có các cơ chế điều khiển phù hợp với từng mô hình cụ thể Đây là một trongnhững hạn chế lớn nhất của mạng không dây làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền

dữ liệu Bên cạnh đó, khả năng gây nhiễu và mất gói tin trong quá trình truyền dữliệu của mạng không dây là khá cao

Hiện nay, những hạn chế trên đang dần được khắc phục thông qua cácnghiên cứu về mạng không dây được đề xuất và thử nghiệm trên các mô hìnhmạng thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng của hệ thống mạng, hứa hẹnnhững bước phát triển mới trong tương lai về lĩnh vực mạng máy tính

1.2 Phân loại mạng không dây

Tương tự như mạng có dây, mạng không dây có thể triển khai trong nhiềudạng khu vực địa lý khác nhau, với một số công nghệ hạ tầng để triển khai phùhợp Như vậy, chúng ta cũng có sự phân loại theo quy mô và phạm vi phủ sóngtương tự như hệ thống mạng hữu tuyến đó là: mạng WPAN theo chuẩn IEEE802.15 dành cho mạng cá nhân, WLAN IEEE 802.11 dành cho mạng cục bộ,WMAN IEEE 802.16 dành cho mạng đô thị và mạng WWAN IEEE 802.20 chomạng diện rộng

Hình 2:Tổng quát về các chuẩn mạng không dây

1.2.1 Theo qui mô triển khai mạng:

Dựa trên qui mô triển khai mạng, mạng không dây có thể được phân thành

3 loại: WPAN (Wireless Personal Area Network), WLAN (Wireless Local AreaNetwork), và WWAN (Wireless Wide Area Network)

- Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network): Mạng WPAN hay

còn gọi là Bluetooth là một công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện

tử giao tiếp với nhau bằng sóng radio qua băng tần chung ISM (Industrial,Scientific and Medical) 2.4 GHz Năm 1994 hãng Ericsson đề xuất việc nghiêncứu và phát triển giao diện vô tuyến công suất nhỏ, chi phí thấp, sử dụng sóng vôtuyến để kết nối không dây giữa các thiết bị di động với nhau và các thiết bị điện

tử khác, tổ chức SIG (Special Interest Group) đã chính thức giới thiệu phiên bản1.0 của Bluetooth vào tháng 7 năm 1999 Mạng WPAN cho phép các thiết bị kết

10m Hỗ trợ tối đa 8 kết nối đồng thời với các thiết bị khác Băng thông tối đa 1Mbps được chia sẻ cho tất cả kết nối trên cùng 1 thiết bị.

- Mạng WLAN (Wireless Local Area Network): Công nghệ WLAN

lần đầu tiên xuất hiện vào cuối năm 1990, khi những nhà sản xuất giới thiệunhững sản phẩm hoạt động trong băng tần 900Mhz, sử dụng sóng điện từ(thường là sóng radio hay tia hồng ngoại) để liên lạc giữa các thiết bị trong phạm

vi trung bình So với Bluetooth, Wireless LAN có khả năng kết nối phạm vi rộnghơn với nhiều vùng phủ sóng khác nhau, do đó các thiết bị di động có thể tự do dichuyển giữa các vùng với nhau Phạm vi hoạt động từ 100m đến 500m với tốc độtruyền dữ liệu trong khoảng 11Mbps-54Mbps

Sự ra đời của các cầu nối WLAN đã đem lại nhiều lợi ích về khả năng diđộng và khai thác mạng linh hoạt Với mạng WLAN, người dùng có thể truy cậpcác thông tin dùng chung mà không cần tìm chỗ cắm thiết bị và các nhà quản lýmạng có thể thiết lập hoặc làm tăng thêm mạng lưới mà không cần lắp đặt hoặc

di chuyển hệ thống dây WLAN còn cho năng suất lưu lượng tăng, thuận tiện, lợithế về chi phí so với các hệ thống mạng hữu tuyến truyền thống

Mạng WLAN hoạt động khá linh hoạt với các ưu điểm như: dễ cấu hình

và cài đặt, tiết kiệm chi phí mở rộng mạng Tuy nhiên, tốc độ còn chậm hơn sovới LAN và dễ bị nhiễu

- Mạng WWAN (Wireless Wide Area Network): hệ thống WWAN

được triển khai bởi một công ty hay tổ chức trên phạm vi rộng, khai thác băngtần đã đăng ký trước với cơ quan chức năng và sử dụng các chuẩn mở như:AMPS, GSM, TDMA và CDMA Phạm vi hoạt động có thể lên đến hàng trăm

km với tốc độ truyền từ 5Kbps đến 20Kbps Ưu điểm nỗi trội của WWAN như:

dễ dàng mở rộng hệ thống mạng, tránh được giới hạn của việc sử dụng cáp vàcác thiết bị phần cứng khác, các thiết bị di động có khả năng di chuyển trongphạm vi rộng Bên cạnh đó, WWAN cũng có những nhược điểm cơ bản như: dễ

bị ảnh hưởng của tác động môi trường, không an toàn, chất lượng mạng chưacao, chi phí cao trong việc thiết lập cơ sở hạ tầng

1.2.2 Theo quan hệ di động của các bộ định tuyến và nút mạng

Với hướng này có thể phân thành 3 loại: mạng không dây cố định (Fixedwireless network), mạng không dây với các điểm truy cậy cố định (Wirelessnetwork with fixed access points) và mạng di động tùy biến (Mobile ad hocnetwork)

- Mạng không dây cố định (Fixed wireless network): các bộ định

tuyến và nút mạng (host) sử dụng các kênh không dây để kết nối với nhau Một

ví dụ điển hình của loại mạng này là những thiết bị truy cập mạng được cố định

và sử dụng thiết bị anten để kết nối

Hình 3: Minh họa mạng không dây cố định

- Mạng không dây với các điểm truy cập cố định (Wireless network with fixed access points): các nút mạng (host) sử dụng những kênh không dây

để kết nối với các điểm truy cập cố định Các điểm truy cập cố định đóng vai trònhư các thiết bị định tuyến cho các nút mạng Một ví dụ điển hình cho kỹ thuậtnày là việc sử dụng các laptop trong một tòa nhà để truy cập đến các điểm truycập cố định

Hình 4: Minh họa mạng không dây với các điểm truy cập cố định

- Mạng di động tùy biến (MANET - Mobile Ad hoc Network): đây là

một mô hình bao gồm các nút mạng di động, một vài host sẽ đóng vai trò địnhtuyến và chuyển các gói tin đến các nút lân cận Như vậy, việc triển khai mô hìnhmạng dạng MANET sẽ không yêu cầu có các thiết bị trung tâm, vì thế mô hìnhnày rất thích hợp trong các khu vực không thể xây dựng các cơ sở hạ tầng mạng.Một ví dụ điển hình cho kỹ thuật này là một hệ thống mạng bao gồm những nútmạng di động (các chiếc tàu) được kết nối ngang hàng với nhau thông qua cácthiết bị truy cập không dây

Hình 5: Minh họa mạng di động tùy biến

1.3 Mạng Ad Hoc (MANET)

1.3.1 Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng Ad Hoc

- Mạng Ad Hoc là mạng bao gồm các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợcard mạng không dây) các thiết bị PDA hay các điện thoại thông minh (smartphone) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành lên kết nối nganghàng (peer-to-peer) giữa chúng Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếpvới nhau, không cần phải thông qua máy chủ (server) quản trị mạng

- Mạng Ad Hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự tổchức và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong mạng cần

có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới sẽ được cậpnhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi Khi có một nút ra khỏimạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại

mạng không những phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phảiphát hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó(vì các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau ví dụ như: khả năng tínhtoán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng )

- Mạng Ad hoc được coi như mạng ngang hàng không dây, trong mạngkhông có máy chủ Các thiết bị vừa là máy khách, vừa làm nhiệm vụ của router

và vừa làm máy chủ

- Vấn đề sử dụng và duy trì năng lượng cho các nút mạng của mạng Adhoc là vấn đề đáng quan tâm vì các nút mạng trong mạng Ad hoc thường dùngpin để duy trì sự hoạt động của mình

- Tính bảo mật trong truyền thông của mạng Ad hoc là không cao dotruyền thông trong không gian sử dụng sóng vô tuyến(radio) nên khó kiểm soát

và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều

Việc thiết lập các mạng Ad hoc có thể thực hiện nhanh chóng và dễ dànglên chúng thường được thiết lập để truyền thông tin với nhau mà không cần phải

sử dụng một thiết bị hay kỹ năng đặc biệt nào Vì vậy mạng Ad hoc rất thích hợpcho việc truyền thông tin giữa các nút trong các hội nghị thương mại hoặc trongcác nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm vềvùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể

“nghe” được lẫn nhau

Hình 6: Mô hình mạng không dây Ad hoc

1.3.2 Một số mạng Ad hoc điển hình

có chung điểm đầu và điểm cuối Hiện tượng này được gọi là hiện tượng liên kếthai chiều không đối xứng Liên kết từ N4 đến N5 là liên kết mạnh nhưng liên kết

từ N5 đến N4 lại là liên kết yếu Điều này là do vị trí an-ten của 2 nút mạng khácnhau, hoặc do năng lượng phát của các nút mạng trong mạng là khác nhau Tương tự chúng ta cũng có thể thấy N3 có thể nhận tín hiệu từ N2 là một liên kếtmạnh nhưng mà N2 lại không thu được tín hiệu từ N3

Sang đến thời điểm t2, lúc này topo mạng đã thay đổi do các nút di chuyểnđến các vị trí khác nhau do đó các liên kết giữa các nút mạng cũng thay đổi theo.Lúc này, N1 chỉ có liên kết mạnh với N2, liên kết với N4 lại là liên kết yếu và N1không còn thu được tín hiệu từ N4 Liên kết từ N2 đến N3 và N6 lại là liên kếtmạnh Lúc này, N2 cũng có thể thu được tín hiệu từ N3 mặc dù đó là liên kết

Mặt khác chúng ta cũng có thể thấy hai nút mạng nằm trong vùng phủsóng của nhau có thể truyền thông trực tiếp cho nhau Ví dụ như trong thời điểmt1, việc truyền thông giữa hai nút mạng N1 và N4 là trực tiếp với nhau Tuynhiên ngay cả khi không nằm trong vùng phủ sóng của nhau thì giữa các nútmạng vẫn hoàn toàn có thể thực hiện việc truyền thông với nhau thông qua cácnút mạng trung gian Ví dụ N1 có thể thực hiện truyền dữ liệu cho N7 thông quanút mạng trung gian N2 và N3, còn N6 có thể truyền dữ liệu cho N1 thông quanút mạng N2

1.3.3 Các ứng dụng của mạng Ad hoc

- Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: ở tại địa điểmtrong một khoảng thời gian nhất định, giống như trong một lớp học, một cuộc hộithảo hay một cuộc họp, việc thiết lập một mạng mang tính chất tạm thời đểtruyền thông với nhau chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn Nếu chúng tathiết lập một mạng có cơ sở hạ tầng, dù là mạng không dây vẫn rất tốn kém tiềnbạc cũng như nhân lực, vật lực, thời gian Do đó, mạng Ad Hoc được coi là giảipháp tốt nhất cho những tình huống như thế này

- Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: khi xảy ra các thiêntai như hỏa hoạn, động đất, cháy rừng ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng ở đó nhưđường dây, các máy trạm, máy chủ, có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng

bị tê liệt là hoàn toàn khó tránh khỏi Vì thế, việc thiết lập nhanh chóng mộtmạng cần thời gian ngắn mà lại có độ tin cậy cao và không cần cơ sở hạ tầng đểđáp ứng truyền thông, nhằm giúp khắc phục, giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn

là cần thiết Khi đó mạng Ad Hoc là một lựa chọn phù hợp nhất cho những tìnhhuống như vậy

- Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu, vùng xa:tại những nơi xa trung tâm thành phố, nơi có dân cư thưa thớt như ở vùng sâu,vùng xa, việc thiết lập các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là rất khó khăn và tốnkém Vậy ở những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinhhoặc mạng Ad Hoc

- Tính hiệu quả: trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng

có cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad hoc Ví

dụ như với một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cậpmạng lên các nút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó Ngay

cả khi hai nút mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông vớinhau mà phải chuyển tiếp qua một điểm truy cập trung tâm(Acess Point) Điều

đó gây ra một sự lãng phí thời gian và băng thông mạng Trong khi đó, nếu sửdụng mạng Ad Hoc việc truyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễdàng và nhanh chóng Hai nút mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp vớinhau mà không cần phải thông qua thiết bị trung gian nào khác

1.4 Tổng quan về định tuyến trong mạng Ad Hoc

1.4.1 Tổng quan

Trong mạng thông tin vô tuyến nói chung và mạng Ad Hoc nói riêng dođặc tính động của Ad Hoc gây ra sự thay đổi thường xuyên và khó đoán trướccủa topo mạng, làm tăng độ khó và độ phức tạp để định tuyến giữa các nút diđộng Đặc điểm này gây ra khó khăn trong việc truyền tải gói tin Riêng mạng

Ad Hoc gói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và nút mạng

do đó để gói tin đến được đích thì nút mạng phải sử dụng phương pháp địnhtuyến Giao thức định tuyến có hai chức năng: tìm, chọn đường tốt nhất vàchuyển gói tin đến đúng đích Nhiều giao thức định tuyến được đưa ra Tuynhiên, chúng vẫn gặp phải một số hạn chế nhất định

Vấn đề định tuyến về cơ bản chính là vấn đề tìm đường đi ngắn nhất chomột gói tin được gửi từ một nút mạng tới nút đích của nó Mỗi gói tin chứa IDcủa nút đích trong header của nó Khi một nút nhận một gói tin nó sẽ kiểm tra IDtrong header của gói tin nếu không phải là gửi cho nó nó sẽ chuyển tiếp gói tintới nút kế tiếp gần nó nhất Quá trình chuyển tiếp gói tin tiếp diễn cho đến khi nótới được nút đích Vì lý do này các phương pháp định tuyến được đưa ra với mộtmục tiêu chung là định ra cho mỗi gói tin được truyền đi một đường đi tối ưu

Hiện nay, các giao thức định tuyến đưa ra với Ad Hoc đều dựa trên mộtgiao thức định tuyến cổ điển làm thuật toán cơ bản Các giao thức cổ điển điển

hình là: định tuyến theo vector khoảng cách, định tuyến theo trạng thái liên kết

đã được sử dụng từ rất lâu và đã trở nên rất quen thuộc Tuy nhiên, các giao thức

này chỉ thích hợp cho cấu trúc mạng tĩnh, hoạt động hiệu quả ở mạng Ad Hoc cótốc độ di chuyển thấp, cấu trúc mạng ít thay đổi Vì vậy chúng đã được cải tiến

để phù hợp cho thông tin vô tuyến nói chung và cho mạng ad hoc nói riêng.Vấn

đề định tuyến trong mạng Ad Hoc là một thách thức do các nút mạng luôn có xuhướng tự do chuyển động Các liên kết có thể bị phá vỡ hoặc khôi phục bất cứlúc nào và có những đặc điểm khác hẳn với những lý do khác Ngoài ra, dảithông trong mạng không dây là thấp, các nút bị hạn chế bởi nguồn nuôi nên tổnglưu lượng dành cho định tuyến cần phải nhỏ

Một số yêu cầu quan trọng:

 Hoạt động phân tán: không phụ thuộc vào nút mạng điều khiển tập trung.

 Đường định tuyến hở: để nâng cao chất lượng hoạt động, giảm lãng

phí băng thông và công suất tiêu hao của CPU

 Hoạt động dựa trên yêu cầu: tối thiểu hóa phần thông tin điều khiển

trong mạng

 Hỗ trợ các liên kết một chiều: sử dụng liên kết này và liên kết hai

chiều sẽ làm tăng chất lượng hoạt động của giao thức định tuyến

 Bảo mật: Môi trường không dây rất dễ bị tấn công, khai thác thông tin.

 Bảo toàn năng lượng: do đó giao thức định tuyến sử dụng cần hỗ trợ

chế độ chờ của nút mạng

 Nhiều đường định tuyến: nhằm giảm số lần tác động do sự thay đổi về

cấu trúc mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn

 Hỗ trợ QoS: có nhiều loại QoS cần được hỗ trợ của giao thức định tuyến.

1.4.2 Phân loại

Để so sách và phân tích các giao thức định tuyến cho mạng Ad Hoc, cácphương thức phân loại hợp lý là rất quan trọng Các phương thức phân loại giúpcho các nhà nghiên cứu và các nhà thiết kế hiểu được những đặc trưng khác nhau

và mối quan hệ giữa các giao thức Các đặc trưng này chủ yếu liên quan đến việc

tập hợp thông tin định tuyến, đến vai trò mà một nút có thể đảm nhận trong quátrình định tuyến.

Một trong những phương thức phổ biến nhất để phân loại các giao thứcđịnh tuyến cho mang Ad Hoc là dựa trên việc thông tin định tuyến được tập hợp

và được duy trì như thế nào bới các nút di động Sử dụng phương thức này, cácgiao thức định tuyến cho mạng Ad Hoc được phân chia như hình

Hình 8: Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc

Các giao thức định tuyến proactive: còn được gọi là các giao thức định

tuyến theo bảng (table-driven) Trong kiểu giao thức định tuyến này, Mỗi nútduy trì một hay nhiều bảng chứa thông tin định tuyến tới các nút trong mạng…Thông tin định tuyến được phát broadcast trên mạng theo một khoảng thời gianquy định để giúp cho bảng định tuyến luôn cập nhật những thông tin mới nhất.Tuy nhiên, với những mạng mà các node di chuyển nhiều, hoặc các liênkết giữa các node bị đứt th́ì giao thức định tuyến proactive sẽ phải tìm kiếmhoặc sửa chữa các liên kết bị đứt, nhưng nếu các liên kết đó không sử dụng thì sẽtrở nên lãng phí tài nguyên, ảnh hưởng đến băng thông của mạng Nên giao thứcđịnh tuyến này chỉ áp dụng trong các mô hình mạng Ad Hoc mà các node ít dichuyển Sử dụng các giao thức này, các nút di động cố gắng đánh giá liên tục cáctuyến trong mạng để khi một gói cần phải chuyển tiếp thì tuyến đó đã sẵn sàng để

sử dụng Khi topo mạng thay đổi, các nút truyền các bản tin thông báo cho nhau

để cập nhật thông tin về tuyến của toàn bộ mạng Giao thức định tuyến trạng thái

liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến

vector khoảng cách tuần tự đích DSDV (Dynamic Destination-SequencedDistance-Vector Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến proactive.

Các giao thức định tuyến reactive: còn được gọi là các giao thức định

tuyến theo yêu cầu (on-demand) Trong loại giao thức định tuyến này, các conđường đi sẽ chỉ được tạo ra nếu có nhu cầu Khi một node muốn gởi dữ liệu đến

một node đích, nó sẽ khởi động tiến trình route discovery để tìm kiếm con đường

đi đến đích Quá trình khám phá tuyến kết thúc sau khi hoặc có một tuyến đượctìm ra hoặc không có tuyến nào sẵn có sau khi đã kiểm tra toàn bộ các tuyếnđường Sau khi một đường đi đã được xác lập, nó sẽ duy trì thông tin đó bằng

tiến trình route maintenance cho đến khi hoặc node đích không thể truy cập hoặc

con đường đi đó không còn hiệu lực Với các cơ chế đó, giao thức định tuyếntheo kiểu Reactive không phát broadcast các thay đổi của bảng định tuyến theothời gian, nên tiết kiệm được tài nguyên mạng Vì vậy loại giao thức này có thể

sử dụng trong các mạng lớn, các node di chuyển nhiều Trong mạng Ad Hoc, cáctuyến đang hoạt động có thể bị đứt do tính di động của nút Do đó, duy trì tuyến

là một hoạt động quan trọng của định tuyến theo yêu cầu So sánh với định tuyếntheo bảng, ít tiêu đề định tuyến là một ưu điểm của định tuyến theo yêu cầu Tuynhiên, sử dụng định tuyến theo yêu cầu thì việc gửi gói tin sẽ có trễ lớn do nútnguồn phải tìm đường trước khi gửi dữ liệu Hai giao thức reactive điển hình làgiao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến định tuyến nguồnđộng DSR (Dynamic Source Routing) Giao thức định tuyến theo thứ tự tạm thờiTORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)

Các giao thức định tuyến lai (hybrid): trong kiểu định tuyến này, được

đề xuất để kết hợp ưu điểm của 2 loại giao thức trên và khắc phục các nhượcđiểm của chúng mạng được chia thành các zone Mỗi node duy trì cả thông tin

về kiến trúc mạng trong zone của nó và thông tin về các zone láng giềng Điều đó

có nghĩa là: giao thức Hybrid sử dụng giao thức định tuyến proactive trongzone của nó và giao thức định tuyến reactive giữa các zone Do đó, đường điđến mỗi node trong cùng một zone được xác lập mà không cần phải định tuyến ra

ngoài zone, trong khi đó các tiến tŕnh route discovery và route maintenance thì

được sử dụng để tìm kiếm, duy trì đường đi giữa các node của các zone với nhau.Thông thường, các giao thức lai được triển khai trong mạng có cấu trúc phân cấp.Khi đó, các đặc tính định tuyến theo bảng và định tuyến theo yêu cầu sẽ đượckhai thác độc lập ở các mức phân cấp khác nhau Zone Routing Protocol (ZRP)

và Hybrid Ad Hoc Routing Protocol là những ví dụ điển hình của giao thức lai

Tại mỗi một nút trong mạng luôn duy trì một bộ nhớ đệm (Router Cache),đây là cấu trúc dữ liệu lưu trữ các con đường đã biết Khi có đường đi tồn tạitrong Router Cache, các gói tin sẽ nhận thông tin về đường đi và thực hiện việctruyền tin trên con đường đã chọn Ngược lại, khi không tồn tại đường đi trongRouter Cache hoặc có tồn tại đường đi nhưng không còn hiệu lực, DSR sẽ thựchiện cơ chế phát hiện đường (Route Discovery) bằng cách gởi các gói tin quảng

bá Route Request đến các nút lân cận trên toàn bộ mạng Các nút trung gian nhậnđược gói tin quảng bá sẽ kiểm tra đường đi trong Route Cache Khi đường điđược tìm thấy, gói tin Route Reply sẽ chứa thứ tự các chặng tới đích và đượctruyền trở lại nguồn

Như vậy, hoạt động của giao thức DSR bao gồm hai cơ chế chính: cơ chếtạo thông tin định tuyến (Route Discovery) và cơ chế duy trì thông tin định tuyến(Route Maintanance)

1.5.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery)

Route Discovery cho phép các node trong mạng Ad Hoc tìm kiếm đường

đi đến đích một cách tự động thông qua các node trung gian Tiến trình tạo thôngtin định tuyến sẽ phát gói tin Route Request (RREQ) đến các node lân cận của nótrong mạng Ngoài các trường bình thường như: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích,đường dẫn…, thông tin trong gói RREQ còn chứa một số request ID là một sốđược tạo ra bởi node nguồn và là số không trùng nhau Khi một node nhận góiRREQ thì nó sẽ tiến hành kiểm tra thông tin trong RREQ như sau:

- Bước 1: Thông qua trường request ID, nó sẽ kiểm tra xem đã nhận gói

tin này hay chưa? Nếu đã tồn tại thì nó sẽ loại bỏ gói tin đó và không xử lí gìthêm Ngược lại thì qua bước 2

- Bước 2: Nó kiểm tra trong Route Cache của nó có đường đi đến node

đích mà còn hiệu lực hay không? Nếu có đường đi đến đích thì nó sẽ phản hồi lạicho node nguồn bằng gói Route Reply (RREP) chứa thông tin về đường đi đếnđích và kết thúc tiến trình Ngược lại thì qua bước 3

- Bước 3: Nó kiểm tra địa chỉ đích cần tìm có trùng với điạ chỉ của nó

hay không? Nếu trùng thì nó gởi lại cho node nguồn gói Route Reply (RREP)chứa thông tin về đường đi đến đích và kết thúc tiến trình Ngược lại thì nó sẽphát broadcast gói tin RREQ đến các node láng giềng của nó Các nút láng giềngsau khi nhận gói tin RREQ sẽ thực hiện việc kiểm tra thông tin (quay về bước 1)

Như vậy, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi node nguồn nhận đượcthông tin về đường đi đến đích hoặc thông tin rằng không thể định tuyến đếnđích Gói Route Reply (RREP) được gởi đến nguồn bằng cơ chế phát Unicast vớiSource Route là đảo ngược Source Route trong gói RREQ

1.5.2 Cơ chế duy trì thông tin định tuyến (Route Maintanance)

Route Maintanance cho phép các nút trong hệ thống mạng tự động bảo trìthông tin định tuyến trong Route Cache Trong giao thức định tuyến DSR, cácnode khi chuyển gói tin trên mạng đều phải có nhiệm vụ xác nhận rằng các góitin đó đã chuyển đến node kế tiếp hay chưa ( thông qua sự phản hồi thông tin củanode nhận) ? Trong một trường hợp nào đó mà node đó phát hiện rằng gói tinkhông thể truyền đến node kế tiếp Nó sẽ gởi gói Route Error (RERR) cho node

nguồn để thông báo tình trạng hiện thời của liên kết và điạ chỉ của node kế tiếp

mà không thể chuyển đi Khi node nguồn nhận được gói RERR, nó sẽ xóa conđường đi mà liên kết bị hỏng trong Route cache và tìm một đường đi khác mà nóbiết trong route cache hoặc sẽ khởi động một tiến trình route discovery mới nếunhư không tồn tại đường đi thích hợp trong Route cache

Hình 9 : Minh họa cơ chế duy trì thông tin định tuyến

1.6 Giao thức TORA (Temporally-Ordered Routing Algorithm)

TORA là giao thức định tuyến phân tán không có lặp tuyến thích nghi caodựa trên khái niệm về đảo ngược liên kết TORA được đề xuất để vận hành trongmôi trường mạng di động thay đổi nhanh Nó được khởi tạo phía nguồn và cungcấp nhiều tuyến cho bất kỳ cặp nguồn/đích mong muốn nào Khái niệm thiết kếchính của TORA là định vị các thông điệp điều khiển tới một tập các nút rất nhỏgần nơi xảy ra việc thay đổi cấu trúc Để làm được điều này, các nút cần bảo đảm

thông tin định tuyến về các nút kề cận (một chặng).

Hình 10: Việc tạo tuyến và đảm bảo tuyến trong TORA

1.6.1 Chức năng giao thức

TORA được thiết kế để làm việc dựa trên các cơ chế hoạt động của lớpthấp hơn đó là các giao thức cung cấp một số thông tin cơ bản giữa các router lâncận sau đây:

 Cơ chế cảm nhận trạng thái liên kết và tìm kiếm nút lân cận

 Khả năng tin cậy , chuyển tiếp các gói tin điều khiển theo yêu cầu

 Cơ chế ánh xạ và phân giải địa chỉ lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu

 Nhận thực bảo mật

TORA gán hướng cho các liên kết giữ các router nhằm thực hiện cấu trúc định tuyến được sử dụng để chuyển tiếp các gói dữ liệu tới đích Một router gán một hướng “luồng lên hoặc luồng xuống” cho liên kết với mỗi router lân cận dựa trên các giá trị của một thông số liên kết với mỗi router Thông số này được duy trì bởi một router có thể nhận biết thông qua “độ cao” của router (ví dụ các liên kết được hướng từ router cao hơn đến router thấp hơn) Ý nghĩa của “độ cao” và gán hướng liên kết là các router chỉ có thể chuyển tiếp các gói dữ liệu theo đường xuống (downstream) Nếu liên kết từ giữa hai router lân cận nhau không được định nghĩa “độ cao” và gán hướng liên kết thì xem như không thể dùng để chuyển tiếp thông tin “Độ cao” của các router và gán hướng liên kết thực hiện một kiến trúc định tuyến đa đường và không lặp trong đó tất cả các đường từ nguồn tới đích được truyền theo đường xuống Miêu tả tương quan độ cao giữa các router trong mạng Ta thấy rằng, C gần với đích hơn B khi nhưng thông số độcao của C lại lơn hơn so với B

TORA có thể chia thành bốn chức năng chính bao gồm: tạo đường, duy trìđường, xóa đường và tối ưu đường Tạo đường tương ứng với việc lựa chọn các

độ cao để xác định hướng tuần tự của các liên kết tới đích trong mạng hoặc mộtphần mạng chưa được định hướng trước đó Duy trì đường liên quan đến việcthích ứng cơ chế định tuyến khi cấu hình mạng thay đổi Ví dụ, do lỗi một số liênkết đường xuống hay một vài hướng liên kết tạm thời không còn dẫn tới đíchđược nữa Sự kiện này khởi tạo một quá trình đảo ngược liên kết có hướng (dophải lựa chọn lại “độ cao” của các router) thực hiện định hướng lại kiến trúc định

tuyến để tất cả các đường liên kết có hướng lại có thể dẫn tới đích Trong trườnghợp mạng bị phân chia, các liên kết bị cắt đứt sẽ phải gán mác vô hướng để thựchiện xóa các tuyến lỗi Trong quá trình xóa dường này, các router thiết lập “độcao” của chúng tới “không” và các liên kết kế cận sẽ trở thành vô hướng Ngoài

ra TORA cũng có cơ chế để tối ưu các tuyến đường trong đó các router sẽ chọnlại “độ cao” của chúng theo thứ tự để cải thiện kiến trúc định tuyến TORA đạtđược bốn chức năng này thông qua sử dụng bốn gói tin điều khiển khác nhau baogồm: truy vấn (QRY), cập nhật (UPD), xóa (CLR) và tối ưu hóa (OPT)

1.6.2 Tạo đường trong TORA

Việc tạo các tuyến đường tới đích có thể được thực hiện theo yêu cầuhoặc theo chu kỳ Trong mọi trường hợp, các router lựa chọn độ cao vàgán hướng cho các liên kết giữa các router lân cận Trong chế độ thực hiện theoyêu cầu, việc tạo đường đạt được thông qua một cơ chế truy vấn - phản hồi sửdụng các gói tin QRY và UPD Một nguồn khời tạo quá trình bằng việc gửi mộtgói QRY tới các lân cận của nó định nghĩa đích cho tuyến đường được yêu cầu.Gói tin QRY được lan truyền (được xử lývà chuyển tiếp bởi các router lân cận)cho tới khi nó được nhận bởi một hoặc nhiều router có tuyến đường tới đích Cácrouter có đường tới đích phản hồi QRY bằng cách gửi gói tin UPD tới các routerlân cận định nghĩa đích liên quan và “độ cao” của router đã gửi gói tin UPD Cácrouter duy trì thời điểm gói tin UPD được gửi gần nhất và thời điểm đường liênkết tới các router lân cận đi vào hoạt động để giảm các phản hồi thừa cho mộtyêu cầu đường Khi một router nhận được gói tin UPD nó thiết lập “độ cao” của

nó và gửi một gói UPD tới các lân cận của nó định nghĩa đích liên quan và “độcao” mới của nó Từ đó, các router trong mạng lựa chọn “độ cao” cho đích đượcyêu cầu Việc học “độ cao” của các router lân cận cho đích yêu cầu và gán cáchướng cho liên kết dựa trên các độ cao này

Trong chế độ thực hiện theo chu kỳ, router nguồn khởi tạo quá trình tạođường bằng cách gửi một gói tin OPT sẽ được xử lý và chuyển tiếp bởi các bởicác router lân cận Gói tin OPT định nghĩa đích đến, chế độ hoạt đọng cho đích

và “độ cao” của router gửi gói tin OPT Gói tin này cũng chứa số thứ tự được sử

dụng để xác định tính duy nhất của gói tin và đảm bảo rằng mỗi router xử lý vàchuyển tiếp gói tin OPT cho một nguồn nhiều nhất một lần Khi gói tin OPTđược chuyển đi, router thiết lập chế độ hoạt động tương ứng, chọn lại “độ cao”của nó và gửi một gói OPT tới các lân cận định nghĩa đích liên quan và “độ cao”mới của router đã gửi gói tin.

1.7 Lý thuyết đánh giá hiệu năng mạng

Đánh giá hiệu năng mạng là đánh giá tính hiệu quả và năng lực hoạt độngcủa hệ thống mạng trong những điều kiện cụ thể Như vậy, việc đánh giá hiệunăng mạng chính là tính toán và xác định hiệu quả, năng lực thực sự của hệ thốngtrong các điều kiện khác nhau và dựa trên hai hướng tiếp cận chính là: kiến trúcmạng và các kỹ thuật áp dụng trên kiến trúc mạng đó

Đánh giá hiệu năng là hoạt động nhằm mục đích dự báo hành vi của hệthống một cách có định lượng Khi một hệ thống được cấu hình lại hoặc điềuchỉnh về mặt cấu trúc thì việc đánh giá hiệu năng được sử dụng để đưa ra các dựđoán tác động của những thay đổi đó về mặt hiệu năng của hệ thống

Các điều kiện được sử dụng trong đánh giá hiệu năng mạng là rất quantrọng, chúng ảnh hưởng trực tiếp tới các kết quả thu được Trong các điều kiệnảnh hưởng tới quá trình đánh giá hiệu năng thì kịch bản mô tả là yếu tố then chốtquyết định giá trị hiệu năng, trong đó cần xác định các tham số đầu vào rõ ràngnhư các nút tham gia hệ thống, thiết bị kết nối, tác nhân tham gia, giao thức hoạtđộng, ứng dụng triển khai, thời gian thực hiện… Và rất nhiều yếu tố khác kết hợptạo ra một kịch bản hoàn thiện

1.8 Lựa chọn phương pháp đánh giá hiệu năng mạng

a Phương pháp toán học

Việc sử dụng các phương pháp toán trong tính toán hiệu năng mạng đãđược thực hiện từ lâu, trong đó các công cụ toán học đã được sử dụng rất linhhoạt và đa dạng như xác suất thống kê, đồ thị, quy hoạch, luồng, để giải quyếtnhiều vấn đề trong hiệu năng

− Ưu điểm chính của phương pháp toán học là có thể xác định các ngưỡnggiá trị của hệ thống qua việc xác định mối tương quan giữa các yếu tố trước khitồn tại hệ thống

− Nhưng khi áp dụng trong thực tế, việc mô tả đầy đủ các yếu tố đầu vàocho bài toán là cực kỳ khó khăn do vậy kết quả của phương pháp này còn nhiềuhạn chế

b Phương pháp đo thực tế

Sau khi hệ thống mạng đã được xây dựng, đây là một hệ thống tổng thểkết nối của các thiết bị với những công nghệ khác nhau do vậy việc đo đạc đểđưa ra 9 kết quả từ mô hình thật là rất quan trọng Khi thực hiện đo thực tế, người

đo phải xây dựng các kịch bản cần đo từ đó tạo ra những điều kiện giống với kịchbản thực tế và sử dụng các công cụ đo như phần mềm, thiết bị đo để thu nhận cáckết quả thực tế từ hoạt động của hệ thống theo kịch bản

Thông thường với phương pháp đo thực tế cho chúng ta kết quả với độchính xác rất cao, tuy nhiên việc đầu tư quá lớn trước khi biết kết quả hoạt độngnhiều khi gây ra sự lãng phí vì vậy giải pháp đo thực tế chỉ được sử dụng để giámsát hoạt động mạng Để đo được giá trị hiệu năng, quan trọng nhất là lấy thôngtin chính xác về hệ thống Hiện nay phổ biến có 3 phương pháp lấy thông tin sau:

− Truy vấn các nút mạng để lấy trực tiếp thông tin đang lưu trữ

− Theo dõi luồng thông tin thực tế trên hệ thống

− Xây dựng kịch bản với dữ liệu thử nghiệm để đo hệ thống

c Phương pháp mô phỏng

Để giảm sai số của phương pháp toán học, giảm chi phí đầu tư cho hệthống trước khi đo trong thực tế, phương pháp mô phỏng được sử dụng Việc môphỏng hệ thống đòi hỏi phải mô tả chính xác, chân thực tính năng, kỹ thuật, yếu

tố ràng buộc giữa các nhân tố tham gia và ảnh hưởng của môi trường tới hệ thốngtrong thực tế khi xây dựng Có hai phương pháp chính được sử dụng trong môphỏng hệ thống mạng là: mô phỏng thời gian thực và mô phỏng rời rạc Để môphỏng theo thời gian thực là rất khó do vậy phương pháp phổ biến hiện nay là mô

phỏng rời rạc tức là các sự kiện được xác định rõ ràng và có thời điểm mô tả trêntrục thời gian.

d Lý do sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiệu năng mạng

Trong những trường hợp mô hình giải tích mà chúng ta nhận được, dù đãđược đơn giản hoá hoặc phân rã nhưng vẫn không thể giải được bằng toán học.Khi đó chúng ta sẽ chỉ còn một phương pháp là mô phỏng Phương pháp môphỏng có thể được sử dụng ngay trong giai đoạn đầu của việc thiết kế hệ thốngmạng, cho đến giai đoạn triển khai thực hiện và tích hợp hệ thống Phương phápnày nói chung, đòi hỏi một chi phí rất cao cho việc xây dựng bộ mô phỏng cũngnhư kiểm chứng tính đúng đắn của nó Tuy nhiên, sau khi đã xây dựng xong bộ

mô phỏng, người nghiên cứu có thể tiến hành chạy chương trình mô phỏng baonhiêu lần tuỳ ý, với độ chính xác theo yêu cầu và chi phí cho mỗi lần chạythường là rất thấp Các kết quả mô phỏng nói chung vẫn cần được kiểm chứng,bằng phương pháp giải tích hoặc đo Phương pháp mô hình giải tích và mô hình

mô phỏng đóng vai trò rất quan trọng trong việc thiết kế và triển khai thực hiện

hệ thống, đặc biệt là ở giai đoạn đầu

1.9 Tóm tắt chương

Định tuyến là một cơ chế không thể thiếu trong việc truyền tin trên các hệthống mạng Trong chương này, chúng tôi đã nghiên cứu một số thuật toán địnhtuyến truyền thống, nêu ra những đặc điểm cơ bản mà các giao thức này khônghiệu quả trên hệ thống mạng MANET và phương pháp mô phỏng đánh giá hiệunăng mạng Qua đó, chúng tôi đã phân loại các giao thức định tuyến và phân tíchsâu một số giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu trên mạng MANET vàkhả năng áp dụng của các giao thức trong từng môi trường mạng khác nhau

CHƯƠNG 2:CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

GIAO THỨC TORA, DSR 2.1 Bộ mô phỏng mạng NS2

2.1.1 Giới thiệu

NS là bộ mô phỏng mạng theo sự kiện rời rạc được phát triển ở trường đạihọc Berkely bang California đầu tiên bắt nguồn từ dự án VINT được bộ quốcphòng Mỹ cấp kinh phí phát riển NS được phát triển từ bộ mô phỏng REAL của

S Keshav từ năm 1989, còn REAL thì bắt nguồn từ bộ mô phỏng NEST Cácphiên bản NS version 2 ra đời sau năm 1997 và từ đó người ta thường gọi bộ môphỏng là NS-2 NS-2 được viết trên hai ngôn ngữ hướng đối tượng là C++ vàOTcl C++ được sử dụng để xây dựng phần nhân của bộ mô phỏng để đảm bảotốc độ thực hiện cao và thay đổi OTcl được sử dụng để xây dựng phần giao tiếpvới người sử dụng (shell), giúp người sử dụng dễ dàng thiết lập cấu hình mạng,lựa chọn giao thức truyền thông, thiết lập các nguồn sinh lưu lượng, các mô hìnhsinh lỗi v.v

Hình 11:Mô hình tổng quan bộ mô phỏng NS-2

NS-2 là kịch bản hướng đối tượng, bộ thông dịch nó chứa bộ lập lịch các

sự kiện(Event Scheduler) và thư viện đối tượng các thành phần mô phỏng mạng(Network Component Object), thư viện module thiết lập mạng Nói cách khác,người dùng NS lập trình bằng ngôn ngữ kịch bản OTcl lập lịch các sự kiện trênmột đồ hình mạng cụ thể sau đó chạy mô phỏng mạng, thông qua trình thôngdịch trong NS-2 để đưa kết quả ra 2 loại tệp chính: đó là tệp vết (trace file), có

tên mở rộng là *.tr,ghi lại tất cả các sự kiện mạng (người sử dụng có thể lọc bớtcác sự kiện bằng OTcl) Loại tệp thứ hai có tên mở rộng là *.nam, có khuôn dạngtương tự tệp vết, được sử dụng làm đầu vào cho chương trình hiển thị kết quả môphỏng dưới dạng đồ họa, chương trình NAM.

NS được cải tiến và mở rộng không ngừng, trung bình cứ 6 tháng người talại đưa ra một phiên bản mới, trong đó đã sửa chữa các khiếm khuyết được cộngđồng sử dụng phát hiện và bổ sung thêm một số khả năng mô phỏng mới Phiênbản đầu tiên được giới thiệu và sử dụng rộng rãi là NS-2.1b2, phiên bản mớinhất, tính đến giữa năm 2008 là NS-2.34

Ngày nay, cộng đồng sử dụng NS-2 gồm hàng nghìn trường đại học, việnnghiên cứu, công ty… và hàng vạn người trên thế giới Các kết quả nghiên cứubằng NS-2 là đáng tin cậy và được cộng đồng nghiên cứu về mạng thừa nhận

2.1.2 Các đặc điểm chính của NS2

Bộ mô phỏng NS2 có thể hỗ trợ người nghiên cứu mạng các đặc điểm nổibật sau:

-Khả năng trừu tượng hóa: giúp nghiên cứu các giao thức mạng ở nhiều

mức khác nhau, từ hành vi đơn lẻ của một giao thức đến kết hợp của nhiều luồng

dữ liệu và tương tác của nhiều giao thức Điều này giúp người nghiên cứu có thể

dễ dàng so sánh và phân tích các kết quả chi tiết với trừu tượng

-Khả năng tương tác với mạng thực: cho phép chương trình mô phỏng

đang chạy tương tác với các nút mạng thực đang hoạt đông thông qua việc thiếtlập lưu lượng cho các liên kết mạng

-Khả năng tạo ngữ cảnh: người nghiên cứu có thể tạo các hiện trạng

mạng phức tạp và các sự kiện động như lỗi liên kết một cách dễ dàng Điều nàygiúp cho việc nghiên cứu, kiểm chứng các giao thức mạng trong các mô hìnhmạng khác nhau được đúng đắn hơn

Khả năng hiển thị hóa: thông qua công cụ hiển thị NAM, người nghiên

cứu có thể quan sát trực quan hoạt động của các nút mạng, lưu lượng, tỷ lệ lỗi để

từ đó dễ dàng hiểu được các hành vi phức tạp của đồ hình mạng mô phỏng

- Khả năng mở rộng được: NS2 cho phép mở rộng các chức năng mới

một cách dễ dàng như thay đổi các tham số, xây dựng lên một giao thức mới, thửnghiệm các kịch bản khác nhau

- Khả năng mô phỏng của NS : với bộ mô phỏng NS2, người dùng có

thể mô phỏng nhiều giao thức khác nhau tại nhiều tầng khác nhau như: tại tầngứng dụng, FTP, HTTP; tại tầng giao vận như: UDP, TCP (reno, tahoe, vegas,sack…), tại tầng MAC như: MAC 802.3, MAC 802.11, MAC 802.15, trongcác mô hình mạng có dây, mô hình mạng không dây và mô hình mạng hỗn hợp.Ngoài ra NS-2 còn có thể mô phỏng các thuật toán định tuyến trong mạng khôngdây, đặc biệt là mạng Ad-Hoc: DSDV, DSR, AODV, TORA,… các vấn đề vềđịnh tuyến Unicast/Multicast, liên mạng sử dụng vệ tinh (Satellite network) vànhiều các vấn đề khác cụ thể như:

Đối với mạng có dây:

- Các đường truyền điểm - điểm đơn công, song công, mạng cục bộ LAN

- Các chính sách phục vụ hàng đợi

- Các mô hình sinh lỗi

- Vấn đề định tuyến Unicast/Multicast (Unicast/Multicast routing)

- Các giao thức tầng Giaovận: TCP/Tahoe/Reno/New-Reno/Sack/Vegas,UDP, điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn

- Các giao thức tầng Ứng dụng, Web caching, truyền luồng dữ liệu đaphương tiện

Đối với mạng không dây:

- Kênh truyền

- Sự di chuyển của các nút mạng trong không gian hai chiều

- Mạng LAN không dây (WLAN) 802.11

Trong lĩnh vực mạng hỗn hợp có dây và không dây:

- Trạm cơ sở (Base station) đóng vai trò gateway giữa mạng có dây vàmạng không dây

- Snoop TCP

2.1.3 Thiết lập mô phỏng mạng MANET trong NS2

a Mô hình không dây cơ bản trong NS2

Mô hình không dây chủ yếu bao gồm nút di động (MobileNode) ở lõi, với

các đặc điểm hỗ trợ mở rộng cho phép mô phỏng các mạng MANET đa chặng,

mạng không dây…Đối tượng MobileNode là một đối tượng tách biệt Lớp MobileNode được thừa kế từ lớp cha Node trong C++ Do đó lớp MobileNode là đối tượng Node cơ bản với các chức năng thêm vào của nút không dây và di động

như khả năng di chuyển trong hình trạng mạng cho trước, khả năng nhận vàtruyền các tín hiệu tới và từ kênh không dây Trong mục này chúng ta sẽ mô tả

các thành phần bên trong của MobileNode bao gồm các kĩ thuật định tuyến của

nó, việc tạo ngăn xếp mạng cho phép truy cập kênh trong MobileNode, mô tả

ngắn gọn của mỗi thành phần ngăn xếp, hỗ trợ dò vết và tạo ra các ngữ cảnh dichuyển/lưu lượng cho mô phỏng không dây

Nút di động (Mobile Node)

MobileNode là đối tượng cơ bản ns đối tượng Node cùng với các chức năng thêm

vào như sự di chuyển, khả năng truyền và nhận trên một kênh cho phép tạo môi cáctruờng di động (mobile), môi trường mô phỏng mạng vô tuyến Lớp MobileNode có xuấtphát từ lớp cơ sở Node MobileNode là một đối tượng tách biệt Các tính năng mobilegồm có di chuyển node, cập nhập vị trí định kỳ, duy trì đường biên của đồ hình mạng,…được thực thi trong C++ trong khi tìm kiếm các thành phần của mạng bên trong củaMobileNode (như các phân lớp, dmux, LL, Mac, Channel,…) đã được thực thi trongOtcl Các chức năng và các thủ tục được mô tả trong phần này có thể được tìm thấy trong

~ns/mobilenode.{cc,h},~ns/tcl/lib/ns-mobilenode.tcl,~ns/tcl/mobility/dsdv.tcl,

~ns/tcl/mobility/dsr.tcl, ns/tcl/mobility/tora.tcl Các ví dụ minh hoạ có thể được tìm thấy trong ~ns/tcl/ex/wireless-test.tcl and ~ns/tcl/ex/wireless.tcl.

Trong khi minh họa ví dụ đầu tiên sử dụng một topo nhỏ chỉ có 3 node,minh họa thứ hai thực thi trên một topo có 5 node Các tập lệnh này có thể đượcthực thi một cách đơn giản bằng cách gõ lệnh: $ns tcl/ex/wireless.tcl (or/wireless-test.tcl)

Có bốn giao thức định tuyến ad-hoc hiện được hỗ trợ là DSDV, DSR,TORA và OADV Ngoài ra còn có các giao thức khác được thêm vào như:OLSR, ZRP,

Cơ sở tạo một mobilenode được mô tả bên dưới Chú ý rằng các API trướcđây dành cho việc tạo ra một mobilenode phụ thuộc vào mỗi giao thức địnhtuyến đã sử dụng, giống như lệnh: set mnode [$opt(rp)-create-mobile-node $id]Trong đó: $opt(rp): chỉ ra "dsdv", "aodv", "tora" hay "dsr" và định danh (id) hay

là chỉ số của mobilenode

Trước hết chúng ta cần định nghĩa các kiểu của những thành phần mạngnày nhờ sử dụng một mảng opt() trong ngôn ngữ Tcl:

set val(chan) Channel/WirelessChannel ; Chọn kiểu kênh truyền thông

set val(prop) Propagation/TwoRayGround ; Chọn mô hình truyền thông

set val(ant)Antenna/OmniAntenna ; Mô hình anten

set val(ifq) Queue/DropTail/PriQueue ; Kiểu của giao diện hàng đợi

set val(ifqlen)50 ; Số gói tin lớn nhất có trong hàng đợi

giao diệnset val(netif) Phy/WirelessPhy ; Kiểu giao diện mạng tầng vật lýset val(mac)Mac/802_11 ; Kiểu giao thức MAC

set val(rp) TORA ; Chọn giao thức định tuyến DSDV,

AODV, DSR,

set val(nn) 50 ; Thiết lập số mobile node mạng trong

cần mô phỏngset val(x) 1500 ; Mảng X, Y chứa diện tích địa hình

mô phỏng (m)

set val(y) 1500

Sau đó chúng ta cần phải thiết lập một đối tượng tôpô mạng để ghi lại sự

di động của mobile node trong một vùng giới hạn Trong ví dụ sau, ta thiết lậpcác mobile node di chuyển trong một vùng 1500m X 1500m:

set topo [new Topography]

Cuối cùng ta thực hiện cấu hình các thành phần mạng với đối tượng bộ

mô phỏng Việc cấu hình này sử dụng các hàm API như sau:

$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) -topoInstance $topo -agentTrace ON -routerTrace ON -macTrace OFF -movementTrace OFF -channel $chan_1_

Cấu hình của API ở trên cho một mobilenode với tất cả các giá trị của giaothức định tuyến Ad Hoc-routing, ngăn xếp mạng, kênh, đồ hình (topography), môhình truyền sóng, với định tuyến hữu tuyến trả về on hay off (yêu cầu cho kịchbản mạng không dây, có dây hỗn hợp) và vết tìm kiếm trả về on hay off tại cácmức khác nhau (router, mac, agent) Địa chỉ phân cấp cũng được sử dụng, địa chỉphân cấp của node cần phải được đưa ra chính xác

Tiếp theo là phương pháp tạo ra các mobilenode:

for { set j 0 } { $j < $opt(nn)} {incr j} {

set node_($j) [ $ns_ node ]

$node_($i) random-motion 0 ;Xóa tính năng di chuyển ngẫu nhiên

}

Thủ tục trên tạo ra một đối tượng mobilenode (tách biệt), tạo ra một tácnhân định tuyến Ad Hoc-routing như đã được chỉ định, tạo ra ngăn xếp mạnggồm: lớp liên kết (link), giao diện hàng đợi, lớp mac, và giao diện mạng với mộtantenne, sử dụng để định nghĩa mô hình truyền sóng, nối liền (interconnects) các

thành phần cấu thành này và kết nối ngăn xếp đến kênh Mobilenode hiện naytrông giống như sơ đồ trong hình sau:

Hình 12: Một mobilenode dưới chuẩn wireless của Monarch

của CMU mở rộng ra NS

Cấu trúc mobilenode sử dụng cho giao thức định tuyến DSR hơi khác biệtvới mobilenode được trình bày ở trên Lớp SRNode được xuất phát từ lớpMobileNode SRNode không sử dụng địa chỉ demux hay các phân lớp và tất cảcác packet nhẩn bởi node được điều khiển giảm xuống tác nhân định tuyến DSRtheo mặc định Tác nhân (Agent) định tuyến DSR hoặc là nhận packets cho chính

nó bằng cách điều khiển trên cổng (port) dmux hoặc là chuyển tiếp packets nhưtrên tuyến nguồn trong tiêu đề hay gửi ra tuyến yêu cấu và tuyến trả lời (reply)cho các packet mới Chi tiết về tác nhân định tuyến DSR có thể được tìm thấytrong chương 3 Mô hình lưu đồ của một SRNode được biểu diễn trong hình