Tìm hiểu các giao thức định tuyến trong MANET

Tìm hiểu các giao thức định tuyến trong MANET

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG Đề tài mơn học Các giao thức định tuyến: Tìm hiểu giao thức định tuyến MANET Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trương Thị Diệu Linh Nhóm sinh viên thực hiện: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG Đề tài mơn học Các giao thức định tuyến: Tìm hiểu giao thức định tuyến MANET Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trương Thị Diệu Linh Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Nội, tháng năm 2018 MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Tìm hiểu MANET Khái niệm Cấu trúc mạng MANET Đặc điểm Mạng gồm thiết bị di động không dây Tính tự thiết lập Đồ hình mạng thay đổi liên tục Một số đặc điểm khác Ứng dụng mạng MANET Định tuyến mạng MANET Các yêu cầu việc định tuyến Phân loại kỹ thuật định tuyến Các kĩ thuật truyền thống Link-state Distance-vector Các kĩ thuật định tuyến mạng MANET Hướng tiếp cận proactive Hướng tiếp cận reactive Giao thức định tuyến AODV Giới thiệu Hoạt động giao thức AODV Quá trình khám phá tuyến Khởi tạo đường ngược Khởi tạo forward-path Duy trì đường Ví dụ giao thức AODV 3 5 5 6 6 7 8 10 10 10 11 11 12 LỜI NÓI ĐẦU Từ thập kỷ 90 kỷ trước với đời kỹ thuật số đẩy nhanh phát triển công nghệ ứng dụng chúng vào lĩnh vực đời sống hàng ngày, đặc biệt truyền thông công nghệ thông tin Các hệ thống truyền thông từ cố định đến di động phủ rộng khắp giới làm cho người khắp nơi giới thơng tin với lúc, nơi Tuy vậy, số hoàn cảnh đặc biệt thiên tai, động đất, chiến tranh, … sở hạ tầng viễn thơng bị phá vỡ, lúc người liên lạc với nào? Để giải tốn đó, gần dạng cơng nghệ mạng đời, MANET (Mobile Ad hoc Network) MANET tập hợp nút mạng di động không dây, nằm phân tán mặt địa lý tạo thành mạng tạm thời mà không sử dụng cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung Với đặc điểm đó, loạt thách thức với mạng MANET đặt cần giải quyết: Năng lượng: Các phần tử mạng hoạt động nhờ nguồn lượng pin Vì vấn đề tuổi thọ pin, công suất pin cần đặc biệt quan tâm Cấu hình mạng khơng có cấu trúc biến đổi ngẫu nhiên Chất lượng liên lạc thấp Băng thông hạn chế Khả mở rộng phải tốt mạng có nhiều nút mạng Với tốn đó, nhiều giải thuật định tuyến phát triển nhằm tối ưu hiệu mạng Trong khn khổ đề tài, nhóm trình bày khái qt mạng MANET giao thức định tuyến AODV TÌM HIỂU VỀ MANET I Khái niệm: MANET viết tắt cụm từ Mobile Ad hoc Network – Mạng di động tùy biến không dây Mạng MANET tập hợp nút mạng di động không dây nằm phân tán mặt địa lý tạo thành mạng tạm thời mà không sử dụng cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung Mơi trường mạng thiết lập dễ dàng nơi không tốn nhiều chi phí II Cấu trúc mạng MANET Do đặc điểm mạng MANET (di động, vô tuyến, không dự tính trước) nên việc xác định thành phần mạng MANET khó khăn, khơng nói số trường hợp định Tại thời điểm mạng MANET bao gồm số nút đó, thời điểm sau mạng chia thành nhiều mạng MANET Sau lại nhập lại thành nhóm nút tạo thành mạng MANET lớn Các router định mạng MANET kết nối với vùng định tuyến khác Các router gọi router biên BR (border router), chúng thường chạy nhiều giao thức định tuyến Các router biên có nhiệm vụ lựa chọn thơng tin định tuyến để thông báo vùng định tuyến liên quan đến Router biên cho thấy router tiếp cận thơng qua Khi thành viên mạng MANET thay đổi, kết nối router biên mạng MANET thay đổi Do vậy, khó để router biên thể tập hợp cố định nốt tiếp cận (reachable node) Nó lựa chọn khơng thơng báo thơng tin định tuyến mạng MANET cho vùng định tuyến khác III Đặc điểm Mạng gồm thiết bị di động không dây Mạng MANET gồm thiết bị khơng dây, kích thước nhỏ mang theo người, đặt đối tượng thường xuyên di chuyển vị trí khó khăn khơng thể triển khai mạng có dây Các thiết bị sử dụng sóng điện từ nhiều dải khác để liên lạc trao đổi liệu, nhiên mạng cụ thể cần thống tần số Hai nút mạng liên lạc với chúng vùng phủ sóng Nếu hai nút ngồi vùng muốn liên lạc, chúng phải thông qua nút trung gian để định tuyến Tính tự thiết lập Mạng MANET không phụ thuộc vào cấu trúc mạng có sẵn quản lý tập trung Các nút mạng có vai trò ngang hoạt động độc lập nên chúng phải đảm nhiệm chức định tuyến di động Các nút mạng phải tự thiết lập thông tin cần thiết cho nó, bao gồm địa mạng, thơng tin định tuyến, … gia nhập vào mạng phải cập nhật mạng thay đổi Các định tuyến tự di chuyển cách ngẫu nhiên tự tổ chức cách tùy tiện, cấu hình khơng dây mạng thay đổi nhanh chóng khơng thể đốn trước Do đó, giao thức định tuyến mạng MANET cần có chế tự thiết lập, quản lý thông tin cập nhật cho nút mạng Đồ hình mạng thay đổi liên tục Do nút mạng thiết bị không dây, chúng tham gia rời mạng lúc mà khơng có thơng báo trước Vị trí nút mạng thay đổi, làm cho việc định tuyến từ nguồn đến đích thường xuyên thay đổi Đây vấn đề cần giải với việc định tuyến mạng MANET Một số đặc điểm khác Do thiết bị di động phải sử dụng pin, bị hạn chế kích thước hiệu nên cần giảm đến mức tối thiểu tài nguyên sử dụng Nút mạng sử dụng kết nối không dây nên bị hạn chế khoảng cách liên lạc băng thông thấp, chịu ảnh hưởng nhiễu nhiều mơi trường có dây Liên kết hai nút mạng khơng đối xứng, tức việc truyền tin hai nút không theo hai chiều Trong mạng tồn nhiều liên kết dư thừa Ngồi ra, việc truyền tin sóng làm tăng nguy bị công IV Ứng dụng mạng MANET - Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính tạm thời - Đáp ứng truyền thơng nơi xa trung tâm, vùng sâu, vùng xa - Tăng tính hiệu vài trường hợp định V Định tuyến mạng MANET Các yêu cầu việc định tuyến - Thích ứng nhanh tô-pô mạng thay đổi: nút mạng di chuyển nhanh, yêu cầu kết nối tăng lên giao thức hoạt động theo chế tiếp cận tập trung giảm hiệu rõ rệt phải tốn nhiều thời gian để thu thập thông tin trạng thái phát tán lại Trong cấu hình mạng thay đổi khác - Đảm bảo hiệu môi trường truyền nút đứng yên Lúc topo mạng cố định không thay đổi nên giao thức định tuyến cần gửi cập nhật có yêu cầu mạng thay đổi việc nút tắt kết nối - Khơng có lặp định tuyến: Cần ngăn chặn tượng này, gói tin bị định tuyến sai, dẫn đến việc bị truyền quay vòng liên tục số kết nối mạng, khiến cho băng thông mạng tài nguyên khác lượng nguồn nuôi bị tiêu tốn vơ ích - Bảo mật: Việc định tuyến mạng MANET có nguy bị cơng dễ dàng phương pháp xâm nhập đường truyền, phát lại, thay đổi gói tin tiêu đề, điều hướng thơng điệp định tuyến Do thiết kế giao thức định tuyến cần phải có phương pháp để phát ngăn chặn loại công Phân loại kỹ thuật định tuyến 2.1 Các kỹ thuật định tuyến truyền thống 2.1.1 Link-state Khi áp dụng thuật toán định tuyến link-state, nút sử dụng liệu sở đồ mạng với dạng đồ thị Để làm điều này, nút phát tới toàn mạng thơng tin nút khác mà kết nối được, nút góp thơng tin cách độc lập vào đồ Sử dụng đồ này, nút sau xác định tuyến đường tốt từ đến nút khác Thuật toán làm theo cách Dijkstra, cách xây dựng cấu trúc liệu khác, dạng cây, nút gốc, chứa nút khác mạng Bắt đầu với ban đầu chứa Sau từ tập nút chưa thêm vào cây, thêm nút có chi phí thấp để đến nút có Tiếp tục q trình đến nút thêm vào Cây sau phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa bước truyền tốt ưu, … để từ nút đến nút khác mạng 2.1.2 Distance-vector Thuật toán dùng thuật toán Bellman-Ford, định số, gọi chi phí (hay trọng số), cho liên kết nút mạng Các nút gửi thông tin đường từ điểm A đến điểm B qua đường truyền (kết nối) mang lại tổng chi phí thấp (là tổng chi phí kết nối nút dùng) Thuật toán hoạt động với hành động đơn giản Khi nút khởi động lần đầu, biết nút kề trực tiếp với nó, chi phí trực tiếp để đến (thơng tin này, danh sách đích, tổng chi phí đến đích bước để gửi liệu đến tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách) Mỗi nút, tiến trình, gửi đến “hàng xóm” tổng chi phí để đến đích mà biết Các nút “hàng xóm” phân tích thơng tin này, so sánh với thông tin mà chúng “biết”; điều cải thiện thơng tin chúng có đưa vào bảng định tuyến “hàng xóm” Đến kết thúc, tất nút mạng tìm bước truyền tối ưu đến tất đích, tổng chi phí tốt Khi nút gặp vấn đề, nút khác có sử dụng nút hỏng lộ trình loại bỏ lộ trình đó, tạo nên thơng tin bảng định tuyến Sau chúng chuyển thơng tin đến tất nút gần kề lặp lại trình Cuối cùng, tất nút mạng nhận thơng tin cập nhật, sau tìm đường đến tất đích mà chúng tới 2.2 Các kỹ thuật định tuyến mạng MANET 2.2.1 Hướng tiếp cận proactive Giao thức định tuyến hướng proactive gọi định tuyến theo bảng điều khiển (Table-driven) Sử dụng giao thức định tuyến chủ động, nút mạng MANET liên tục đánh giá đường đến nút cố gắng trì qn, cập nhật thơng tin định tuyến Di đó, nút nguồn có đường định tuyến cần Trong hướng tiếp cận proactive, tất nút cần phải trì quán topo mạng Khi thay đổi cấu hình mạng xảy ra, cập nhật tương ứng phải truyền tồn mạng để thơng báo thay đồi Giao thức định tuyến chủ động mạng MANET kế thừa thuật toán sử dụng mạng có dây Sử dụng thuật tốn định tuyến chủ động, nút di động chủ động cập nhật trạng thái mạng trì đường dù lưu lượng truy cập có tồn hay khơng Một số giao thức theo hướng tiếp cận DSDV, OLSR Ưu điểm: Tại thời điểm đường sẵn sàng nên độ trễ bắt đầu gửi gói nhỏ Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều tài nguyên để trì trao đổi thơng tin định tuyến 2.2.2 Hướng tiếp cận reactive Các giao thức định tuyến hướng reactive cho mạng MANET gọi giao thức định tuyến theo yêu cầu khởi phát từ nguồn Trong giao thức định tuyến hướng reactive, đường định tuyến tìm cần thiết Quá trình tìm kiếm đường chấm dứt tìm đường khơng có đường có sẵn sau kiểm tra tất đường Trong mạng MANET, tuyến đường hoạt động bị ngắt di chuyển nút mạng Vì vậy, trì đường định tuyến trình quan trọng giao thức định tuyến hướng reactive So với giao thức định tuyến proactive cho mạng MANET, chi phí điều khiển lợi khác biệt giao thức định tuyến hướng reactive Như vậy, giao thức định tuyến hướng reactive có khả mở rộng tốt so với giao thức định tuyến hướng proactive mạng MANET Tuy nhiên, nút nguồn phải đợi thời gian delay dài cho việc tìm kiếm đường trước chuyển tiếp gói tin Một số giao thức thuộc hướng tiếp cận DSR AODV GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV I Giới thiệu Giao thức AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector) phát triển vào năm 2003 C Perkins, E Belding-Royer S Das Nó giao thức định tuyến dựa thuật toán vector khoảng cách II Hoạt động giao thức AODV Quá trình khám phá tuyến (Route Discovery) Để tối thiểu hóa số tin quảng bá, AODV tạo tuyến cở sở theo yêu cầu (on-demand) mà khơng trì danh sách hồn chỉnh tuyến Khi nút nguồn muốn gởi tin đến nút đích khơng biết có tuyến đến đích đó, phải khởi đầu trình khám phá đường truyền để xác định nút khác Mỗi nút trì hai thành phần riêng biệt: số thứ tự nút ID broadcast Nút nguồn phát quảng bá gói yêu cầu tuyến (RREQ) đến nút lân cận Gói tin RREQ chứa trường source_addr source_sequence# broadcast_id dest_addr dest_sequence# hop_count Cặp giúp phân biệt nguồn gói RREQ Mỗi nguồn phát gói RREQ, broadcast_id tăng lên, tức nguồn phát gói tin RREQ với broadcast_id Mỗi nút lân cận nhận RREQ gửi tăng trường hop_count gói RREQ broadcast gói RREQ đến nút lân cận khác Tuy nhiên, nút nhận nhiều copy gói RREQ từ nhiều nút truyền tới Khi nút trung gian nhận gói tin RREQ có trường source_addr broadcast_id trùng với gói RREQ nhận trước khơng broadcast lại Khởi tạo đường ngược (Reverse Path) Trong suốt trình chuyển tiếp RREQ, nút trung gian ghi vào bảng định tuyến chúng địa nút lân cận từ nhận gói quảng bá, theo thiết lập đường dẫn theo thời gian Có hai số thứ tự (ngồi broadcast_id) bao gồm gói RREQ: số thứ tự nguồn số thứ tự điểm đích cuối Số thứ tự nguồn sử dụng để trì thơng tin tuyến đường ngược nguồn, số thứ tự điểm đích mẻ định tuyến tới đích trước chấp nhận nguồn Khi RREQ 10 từ nguồn tới điểm đích khác nhau, tự động thiết lập đường ngược lại từ tất nút nguồn Để thiết lập đường ngược lại, nút ghi lại địa nút lân cận mà nhận gói RREQ Những mục tuyến đường ngược trì thời gian vừa đủ để gói RREQ qua mạng gửi hồi đáp nút gửi tin Khởi tạo forward-path Khi gói tin đến nút nút đích nút có định tuyến tới nút đích, nút nhận kiểm tra RREQ nhận thông qua liên kết hai chiều Nếu nút trung gian có mục định tuyến đến nút đích, định tuyến đường cách so sánh số thứ tự nút đích RREQ với mục định tuyến Nếu số thứ tự nút đích RREQ lớn nút trung gian khơng sử dụng bảng định tuyến để hồi đáp RREQ Thay vào đó, nút trung gian truyền broadcast lại gói RREQ Các nút trung gian hồi đáp có đường định tuyến có số thứ tự lớn số thứ tự nút đích gói tin RREQ Nếu khơng có đường tới đích RREQ khơng xử lý trước đó, nút truyền unicast RREP trả nút lân cận truyền RREQ cho Một gói RREP chứa thơng tin sau: source_addr des_addr des_sequence# hop_cnt lifetime Khi RREP trở nguồn, nút đường thiết lập trỏ phía trước tới nút gửi gói RREP, cập nhật thơng tin timeout cho mục định tuyến tới nguồn đích Ghi số thứ tự điểm đến cho nút đích u cầu Duy trì đường Trong AODV, tuyến đươc trì điều kiện sau: - Nếu nút nguồn chuyển động, phải khởi động lại giao thức khám phá tuyến để tìm tuyến đến đích - Các nút khơng thuộc tuyến đường hoạt động di chuyển không gây ảnh hưởng đến tuyến - Nếu nút tuyến chuyển động, nút lân cận truyền tin RREP đặc biệt đến nút lân cận phía nguồn Các nút tiếp tục truyền RREP đến nút lân cận gần phía nguồn Q trình tiếp tục đạt đến nút nguồn Nút nguồn sau chọn 11 khởi động lại trình khám phá tuyến cho đích tuyến cần thiết Ngồi ra, giao thức sử dụng tin HELLO phát quảng bá định kỳ nút để thông báo cho tất nút khác nút lân cận Các tin HELLO sử dụng để trì khả kết nối cục nút Tuy nhiên, việc sử dụng tin HELLO không cần thiết Các nút lắng nghe việc truyền lại gói liệu để đảm bảo đạt đến chặng Nếu không nghe việc truyền lại thế, nút sử dụng số kỹ thuật, kể việc tiếp nhận tin HELLO Các tin HELLO liệt kê nút khác mà từ nút di động nghe tin báo, tạo khả liên kết lớn cho mạng III Ví dụ giao thức AODV Giả sử ta có mạng MANET với nút mạng liên kết chúng hình Nút nguồn cần truyền tin nút S nút đích nút D Giả thiết nút trung gian khơng nút có sẵn đường định tuyến đến D Đầu tiên, S gửi gói tin RREQ đến nút lân cận B, C, E hình 12 Khi nút B, C, E nhận gói tin RREQ, chúng forward gói tin RREQ đến nút lân cận với ghi lại bảng định tuyến chúng địa nút gửi gói tin RREQ đến, tức nút S để xây dựng đường ngược sau cần thiết Quá trình tiếp tục nút trung gian chúng nhận gói tin RREQ Q trình tiếp tục gói tin RREQ đến nút D Khi nhận gói tin RREQ, nút D khơng forward mà trả lời gói tin RREP theo đường ngược tạo trình khám phá tuyến 13 Cuối cùng, S D trao đổi thông tin với thông qua tuyến đường lựa chọn S  E  F  J  D 14 ... reactive Các giao thức định tuyến hướng reactive cho mạng MANET gọi giao thức định tuyến theo yêu cầu khởi phát từ nguồn Trong giao thức định tuyến hướng reactive, đường định tuyến tìm cần thiết... trọng giao thức định tuyến hướng reactive So với giao thức định tuyến proactive cho mạng MANET, chi phí điều khiển lợi khác biệt giao thức định tuyến hướng reactive Như vậy, giao thức định tuyến. .. học Các giao thức định tuyến: Tìm hiểu giao thức định tuyến MANET Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trương Thị Diệu Linh Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Nội, tháng năm 2018 MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Tìm