Định tuyến đa phát dựa bảo trì tối ưu khung mạng tự hợp di động Nguyễn Trung Hải Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Truyền liệu mạng máy tính; Mã số: 60.48.15 Người hướng dẫn: TS Nguyễn Đại Thọ Năm bảo vệ: 2010 Abstract: Cung cấp tổng quan luận văn, từ vấn đề cần đặt ra, đến hướng tiếp cận, cách thức tổ chức giải vấn đề Trình bày chi tiết đa phát đa phát mạng MANET Trình bày sâu tốn xây dựng bảo trì tối ưu khung mạng động Cải tiến giải thuật xây dựng bảo trì tối ưu khung mạng động Đề xuất giải pháp cho vấn đề khung đa phát mạng MANET Các kết đạt được: Cài đặt, so sánh đánh giá giải pháp Kết luận hướng nghiên cứu Keywords: Công nghệ thông tin; Mạng Manet; Mạng máy tính; Cây khung; Mạng tự hợp di động Content Mở đầu Với phát triển không ngừng thiết bị máy tính cá nhân xách tay thiết bị truyền liệu không dây với giá thành ngày rẻ, truyền thông không dây người dùng di động ngày trở nên phổ biến, với mức nhu cầu truyền nhận liệu cao, truyền liệu đa phương tiện, liệu hội nghị truyền hình… Do tính chất di động thiết bị, việc thiết lập mạng truyền không cần giúp đỡ thiết bị hạ tầng sở cố định, trạm phát sở (base station) điểm truy cập (access point) Thay vào đó, người dùng thiết lập mạng không dây di động ngang hàng riêng họ Những mạng gọi mạng tự hợp di động (mobile ad hoc networkMANET) Năm 2003, Chlamtac, Conti Liu [1] đưa khái niệm thức mạng MANET, mạng động tạm thời thiết lập tập hợp nút mạng không dây di động tự trị mà khơng cần hỗ trợ sở hạ tầng mạng cố định hỗ trợ quản lí tập trung Các nút mạng tự di chuyển cách ngẫu nhiên tự tổ chức số qui luật chung, đó, hình trạng mạng thay đổi cách đột ngột khơng thể đốn trước Hơn nữa, thiết bị không dây di động có hạn chế khơng gian truyền, lượng lực vi xử lí, làm cho tồn mạng MANET có đặc tính tự nhiên mạng động, băng thơng thấp, tỉ lệ gói cao, giới hạn lượng… (theo Kaliaperumal Jeyakumar [2]) Do đó, vấn đề lựa chọn thiết kế giao thức truyền thơng mạng MANET đóng vai trò cốt lõi để đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng Mạng MANET ngày có nhiều ứng dụng thực tế, hội nghị nhóm, ứng dụng khẩn cấp cứu hộ, chia sẻ liệu lớn Đặc biệt ứng dụng chia sẻ liệu, nút mạng chia sẻ liệu cho nhiều nút lân cận lúc, chất truyền đa hướng sóng khơng dây Tính chất làm cho ứng dụng chia sẻ liệu truyền thông kiểu phát tỏa (broadcast) đa phát (multicast) quan tâm nghiên cứu phát triển nhiều Trong đó, truyền thơng đa phát có cách thức thực thi khó khăn tốn chi phí nhiều so với phát tràn, phải có chế điều khiển để khơng truyền liệu tràn lan gây lãng phí băng thơng mạng, mà truyền cho số thành viên thuộc nhóm truyền thơng Vì thế, nghiên cứu đa phát giao thức định tuyến đa phát mạng MANET hướng nghiên cứu thu hút nhiều quan tâm Có nhiều ý tưởng, giao thức cách thức tiếp cận khác đưa ra, chưa có chuẩn thức công nhận rộng rãi mặt học thuật lẫn ứng dụng công nghiệp Luận văn hướng đến nghiên cứu vấn đề vấn đề quan trọng định tuyến đa phát mạng MANET: trì bảo tồn hình trạng mạng với chi phí tối thiểu, đảm bảo kết nối liên tục chất lượng, hướng tiếp cận ứng dụng kết nghiên cứu lĩnh vực tính tốn phân tán áp dụng cho mạng MANET, từ xây dựng nên giao thức định tuyến đa phát mới, đáp ứng yêu cầu giao thức định tuyến đa phát với kết tối ưu số thông số trình bày phần sau Vấn đề nghiên cứu Trong định tuyến đa phát, việc trì bảo tồn hình trạng mạng nhằm đảm bảo truyền thông liên tục bảo đảm chất lượng dịch vụ vấn đề then chốt hầu hết nghiên cứu quan tâm đến Có nhiều tư tưởng hướng tiếp cận khác đặt để giải vấn đề Một hướng tiếp cận có tính tảng dựa theo lý thuyết đồ thị, xem xét mạng MANET đồ thị có trọng số vơ hướng mạng truyền liệu nối tất nút đồ thị Do tính chất mạng MANET mà yêu cầu xây dựng có khác biệt, số mạng truyền thơng đa phát theo kiểu mơt-nhiều, nút gửi nhiều nút nhận, lúc xây dựng hướng vào nút gửi (mơ hình Source Based Tree); số mạng khác xem toàn nút bình đẳng (mơ hình Shared Tree) truyền thơng theo kiểu nhiều-nhiều Luận văn đặt vấn đề nghiên cứu truyền thông nhiều-nhiều, ứng dụng hội nghị truyền hình, thành viên phát biểu truyền liệu, ngày trở nên phổ biến hơn, thay có nguồn gửi liệu Theo lí thuyết đồ thị, tốn trở thành xây dựng bảo trì khung nhỏ nhất, lúc đó, chi phí truyền liệu tối ưu Tuy nhiên, khung dùng định tuyến đa phát (từ gọi khung không đầy đủ hay khung đa phát) khơng giống hồn tồn với khung nhỏ túy, lí có số nút mạng thuộc nhóm đa phát để gửi nhận liệu, số nút khác đóng vai trò định tuyến chuyển tiếp gói tin khơng trực tiếp nhận liệu, áp dụng nguyên tư tưởng khung nối tất nút mạng lại với nhau, khơng tối ưu chi phí đường truyền chuyển tiếp gói tin cho nút khơng thuộc nhóm đa phát Do cần đưa giải pháp tiên tiến để giải vấn đề Một số nghiên cứu đặt vấn đề tương tự, nhiên hiệu suất giao thức chưa tối ưu, chi phí phụ tải cho điều khiển mạng lớn Luận văn đưa hướng tiếp cận hoàn toàn mới, áp dụng thành tựu lĩnh vực tính tốn phân tốn để đưa giao thức xây dựng bảo trì khung đa phát với chi phí tối thiểu hóa, khung đa phát bảo trì khung xấp xỉ nhỏ Phương pháp luận Luận văn thực dựa thành lĩnh vực tính tốn phân tán[11][12], giảm thiểu chi phí bảo trì hình trạng mạng từ giá trị O(E) với E số cạnh đồ thị sang O(V) với V số đỉnh, mạng dày đặc giá trị O(E) đạt xấp xỉ O(V)2; giá trị O(V) giá trị tối ưu có mạng có V nút Kết ứng dụng nghiên cứu xây dựng bảo trì khung mạng động nhằm tối thiểu hóa chi phí điều khiển mạng, từ đưa thành xây dựng bảo trì khung đa phát với chi phí tối thiểu hóa Kết độ phức tạp chứng minh mặt lí thuyết tốn học, đồng thời so sánh đánh giá hiệu thực nghiệm với giao thức tương tự Từ xây dựng giải thuật toán học thành giao thức thực tế, luận văn giải nhiều vấn đề liên quan đến toán đồng xử lí tính tốn khắc phục lỗi Để xây dựng giao thức mạng thực tế, luận văn vào tìm hiểu chi tiết tư tưởng phương thức hoạt động nhiều giao thức đa phát mạng MANET tương tự, từ định hình nên bước giao tiếp giao thức Từ đó, giao thức cài đặt công cụ mô mạng NS-2[3], cung cấp kết thực thi NS-2 để làm số liệu so sánh đánh giá hiệu thực nghiệm với giao thức phổ biến tương tự MAODV[9] PUMA[13], để chứng minh tính ưu việt tỉ lệ phát thành cơng gói tin, độ trễ thấp không thua giao thức khác, chí có thơng số ưu việt hơn, chi phí điều khiển giao thức lại thấp nhiều Cuối kết luận số phương hướng cải tiến giao thức đưa để hoàn thiện giải pháp Tổ chức luận văn - Luận văn bố cục theo chương sau: Chương 1: Giới thiệu: Cung cấp tổng quan luận văn, từ vấn đề cần đặt ra, đến hướng tiếp cận, cách thức tổ chức giải vấn đề - Chương 2: Trình bày chi tiết đa phát đa phát mạng MANET - Chương 3: Trình bày sâu tốn xây dựng bảo trì tối ưu khung mạng động - Chương 4: Cải tiến giải thuật xây dựng bảo trì tối ưu khung mạng động - Chương 5: Đề xuất giải pháp cho vấn đề khung đa phát mạng MANET - Chương 6: Các kết đạt được: Cài đặt, so sánh đánh giá giải pháp - Chương 7: Kết luận hướng nghiên cứu References [1] I Chlamtac,M.Conti,J.Liu, Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges, Ad-Hoc Networks Journal (Inaugural Issue, 1) (2003) [2] B Kaliaperumal, A Ebenezer, Jeyakumar, "Adaptive core-based scalable multicasting networks", INDICON, 2005 Annual IEEE (December 2005) pp 198-202 [3] The Network Simulator - ns-2: http://www.isi.edu/nsnam/ns/ [4] James F Kurose and Keith W Ross: Computer Networking; A Top-Down Approach Featuring the Internet [5] C.-K Toh, Ad Hoc Mobile Wireless Networks: Protocols andSystems, PrenticeHall, Englewood Cliff s, NJ, USA, 2002 [6] C Perkins, Ad-Hoc Networking, Addison-Wesley, Reading, Mass, USA, 2000 [7] Stojmenovi´c, Ed., Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, John Wiley & Sons, New York, NY, USA, 2002 [8] C S R Murthy and B S Manoj, Ad Hoc Wireless Networks: Architectures and Protocols, Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, USA, 2004 [9] E Royer and C Perkins, “Multicast operation of the ad hoc on-demand distance vector routing protocol,” in Proceedings of Mobicom, August 1999 [10] Sung-Ju Lee, William Su, and Mario Gerla, "On-demand multicast routing protocol (ODMRP) for ad hoc networks", Internet Draft, draft-ietfmanet-odmrp-02.txt, 2000 [11] Robert G Gallager, Pierre A Humblet, and P M Spira, “A distributed algorithm for minimum-weight spanning trees,” ACM Transactions on Programming Languages and Systems, vol 5, no 1, pp 66–77, January 1983 [12] Baruch Awerbuch, Israel Cidon, Shay Kutten: Optimal maintenance of a spanning tree, J ACM 55(4), 2008 [13] R.Vaishampayan and J.J.Garcia-Luna-Aceves, "Efficient and robust multicast routing in mobile ad hoc networks", IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, pp 304-313, 2004 [14] Yehuda Afek, Baruch Awerbuch, Eli Gafni, "Applying static network protocols to dynamic networks," focs, pp.358-370, 28th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (FOCS 1987), 1987 [15] Yehuda Afek and EliGafni, End-to-end communication in unreliable networks,Proceedings of ACM PODC pages 131–148,1988 [16] Edsger W Dijkstra and C S Scholten, Termination detection for diffusing computations, 1980, Inf Proc Letter 11, pages 1-4 [17] Pierre A Humblet, An adaptive distributed Dijkstra shortest path algorithm, 1991 [18] PUMA sourcecode for NS2, http://sourceforge.net/projects/puma-adhoc [19] MAODV sourcecode for NS2, http://kunz-pc.sce.carleton.ca [20] Yufang Zhu, Pro-Active Connection Maintenance In Aodv And Maodv (2002) [21] Gatani, L., Re, G L., e Gaglio, S (2006) An efficient distributed algorithm for generating and updating multicast trees Parallel computing, 32(11–12):777–793 ... thức định tuyến đa phát mới, đáp ứng yêu cầu giao thức định tuyến đa phát với kết tối ưu số thơng số trình bày phần sau Vấn đề nghiên cứu Trong định tuyến đa phát, việc trì bảo tồn hình trạng mạng. .. dựng bảo trì khung đa phát với chi phí tối thiểu hóa, khung đa phát bảo trì khung xấp xỉ nhỏ Phương pháp luận Luận văn thực dựa thành lĩnh vực tính tốn phân tán[11][12], giảm thiểu chi phí bảo trì. .. đến hướng tiếp cận, cách thức tổ chức giải vấn đề - Chương 2: Trình bày chi tiết đa phát đa phát mạng MANET - Chương 3: Trình bày sâu tốn xây dựng bảo trì tối ưu khung mạng động - Chương 4: Cải