GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG VANETs (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG VANETs DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Adhoc Wireless ad-hoc network AODV Ad Hoc On – Demand Vector Routing AU Application unit BSS Basic service set CCH Control channel DSR Dynamic Source Routing DTN Delay Tolerant Network EDCA Enhanced Distributed Channel Access FSR Free Spirit Rap GPRS General Packet Radio Service GPS Global Positioning System GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing GSM Global System for Mobile Communications GW Gateway HSDPA High-Speed Downlink Packet Access Non-DTN Non-Delay Tolerant Network OBU On board unit OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing RSU Road Side Unit SCH Service channel SME Station management entity Sumo Simulation of Urban Mobility TA Timing Advertisement UMTS Universal Mobile Telecommunications Service V2B Vehicle to base station V2I Vehicle to infrastructure V2V Vehicle to vehicle VANETs Vehicular Ad Hoc Network WAVE Wireless Access in Vehicular Environments WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access WSA WAVE Service Advertisement WSM WAVE Short Message WSMP WAVE Short Message Protocols ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/60 CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài: 1.1.1 Thực trạng: Trong tháng đầu năm 2018 có đến gần 9.000 vụ tai nạn giao thơng số khơng nhỏ Trong có đến nửa ý thức người tham gia giao thông cố sở vật chất giao thông gây Các vụ tai nạn giao thông làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh tế mát cho gia đình người bị tai nạn, đồng thời gánh nặng cho kinh tế nước nhà Ở đô thị lớn nước ta đặc biệt TP Hồ Chí Minh Hà Nội tình hình ùn tắc giao thông thường xuyên xảy ngày tuyến đường lưu lượng xe tăng nhanh sở vật chất giao thông không theo kịp, tuyến đường thường xuyên bị ngập úng triều cường đường thường xuyên sửa chữa Người dân chủ yếu xem thường luật giao thơng, đường thường xuyên không tuân thủ luật giao thông nên nguyên nhân quan trọng làm ùn tắc giao thông gây tai nạn giao thơng hình ảnh xấu làm ảnh hưởng đến mặt đất nước hình ảnh du khách nước ngồi 1.1.2 Tình hình nghiên cứu Trên giới xuất giải pháp công nghệ lĩnh vực giao thông để hạn chế vấn đề giao thông nan giải Cơng nghệ khơng hữu ích giới mà ứng dụng nước ta VANETs (mạng giao thơng thông minh) Do nước ta nước phát triển sở vật chất khoa học kĩ thuật kém, nghiên cứu khoa học lĩnh vực cần phải có nghiên cứu thêm để đảm bảo tính chắn việc triển khai dự án Để đất nước phát triển giảm thiểu vấn đề giao thông đề tài giao thức định tuyến Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/60 VANETs nghiên cứu sở lý thuyết mô góp phần giúp ích cho nghiên cứu để hình thành mạng VANETs áp dụng vào thực tế 1.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu thực mô đánh giá hai giao thức định tuyến AODV DSDV mơi trường mạng VANETs từ đưa kết luận triển khai mạng thực tế 1.3 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết VANETs: • Tìm hiểu tổng quan mạng VANETs: Đặc điểm, cấu trúc, ứng dụng cách thức giao tiếp liệu mạng • Các giao thức định tuyến VANETs Thực mơ đánh giá: • Tìm hiểu phần mềm mô NS3, cách thức mô mạng lưới VANETs • Thực mơ đánh giá 02 giao thức định tuyến AODV DSDV Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/60 CHƯƠNG VANETs 2.1 Giới thiệu mạng VANETs VANETs (Vehicular Ad Hoc Network) hệ thống mạng di động xe trang bị thiết bị thu phát, chúng tạo thành node mạng ad-hoc khơng cần dùng đến sở hạ tầng mạng Các node mạng liên lạc, chia sẻ trao đổi thông tin cho Các xe khỏi vùng phủ sóng, khỏi mạng ngược lại có xe khác vào vùng phủ sóng kết nối với mạng tạo nên hệ thống internet di động Các thông tin vận chuyển mạng VANETs lưu lượng xe, tình trạng kẹt xe, tai nạn giao thơng, nguy hiểm có đường dịch vụ đa phương tiện Mạng VANETs không liên lạc xe cộ gần mà chúng liên lạc xe với trạm cố định RSU (Road Side Unit) đường [1,2] Hình 2-1: Mơ hình mạng VANETs[1] Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/60 2.2 Mục đích mạng VANETs Mục đích mạng VANETs đưa thơng tin cảnh báo an toàn cho khách hàng dịch vụ tiện ích kèm Các thiết bị đặt bên xe cung cấp kết nối mạng kiểu Adhoc cho khách hàng Ưu điểm mạng chúng hoạt động không cần sở hạ tầng mạng khác Mỗi thiết bị đầu cuối mạng VANETs xem node gửi, nhận làm trung gian để truyền nhận liệu cho node khác thơng qua mạng khơng dây Nếu có cố phương tiện đường, tín hiệu cảnh báo chuyển mạng VANETs đến xe khác với dịch vụ khác để giải cố Ngoài mạng VANETs kết nối internet cho người dùng sử dụng dịch vụ internet như: đa phương tiện, hình ảnh, âm thanh, video Ngồi có dịch vụ khác là: trả phí giao thơng, phí gửi xe kiểm sốt phương tiện tham gia giao thơng [1] 2.3 Đặc điểm mạng VANETs Mạng VANETs có đặc điểm riêng, khơng u cầu sở hạ tầng mạng mạng vô tuyến khác là: Trạm Base Station mạng GSM, 3G, 4G không cần Access Point cho hệ thống Wifi hay Wimax VANET khắc phục nhược điểm truyền dẫn vô tuyến khoảng cách nhờ vào node trung gian Nhưng nhược điểm VANETs khơng có sở hạ tầng, sử dụng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên tính bảo mật khơng cao có khả bị lấy cấp thơng tin thơng tin bị lỗi bị nghẽn Việc truyền thông tin giao thông qua xe cần thiết, phản ánh tình hình giao thơng giao lộ có sai lệch gây thiệt hại lớn thơng tin truyền đến toàn hệ thống [1,3] Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/60 Hình 2-2: Mơ hình ứng dụng hệ thống VANETs [1] Ngồi mạng VANETs có đặc điểm khác là: • Node mạng di chuyển với tốc độ cao: Do node mạng nằm xe di chuyển với tốc độ cao thời gian kết nối chúng tương đối Giả sử hai xe ngược chiều với vận tốc 90km/h phạm vi truyền dẫn hai node 250m hai xe có 5s để liên lạc với • Thường xuyên ngắt kết nối kết nối mạng node: Khi hai xe xa vượt khoảng cách kết nối thiết bị xe mạng kết nối phải kết nối với xe khác phạm vi hoạt động Nếu khu có mật độ xe thấp việc kết nối với điểm chuyển tiếp giải pháp tối ưu • Dự đoán chuyển động node: Để cho mạng hoạt động hiệu cần thuật tốn giúp xác định chuẩn đoán hướng chuyển động xe để xác định vị trí node • Mơi trường truyền thông tin: Nếu node xe chuyển động đường cao tốc chiều dễ dự đốn, node di chuyển phố với mật độ xe, cản trở nhà cối gây cản trở lớn cho q trình truyền liệu • Hạn chế độ trễ: Do vấn đề an toàn đường nên liệu tai nạn, phanh xe… cần truyền cho node khác với tốc độ nhanh Vì Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/60 mạng VANETs cần khắc phục hạn chế giúp an tồn cho người tham gia giao thơng • Tương tác với onboard cảm biến: Cảm biến onboard giúp cung cấp vị trí node tình trạng xe để liên kết truyền liệu hiệu va xác 2.4 Cấu trúc hệ thống mạng VANETs Hình 2-3: Mơ hình ứng dụng hệ thống VANETs Một mạng VANETs gồm có ba thành phần bản: thiết bị xe, kết nối Adhoc sở hạ tầng bên đường hình 2-3 Thiết bị xe: Trong xe gồm có OBU nhiều AU Các AU ứng dụng xe sử dụng khả truyền nhận liệu từ OBU OBU trang bị thiết bị kết nối không dây tầm ngắn an tồn có khả lựa chọn thiết bị liên lạc an tồn hay khơng an tồn AU OBU khác mặt chức logic nhiên thiết kế chúng đơn vị vật lý Adhoc: Mạng Adhoc tạo nên từ kết nối OBU xe phạm vi kết nối V2V (vehicle to vehicle) kết nối xe với thiết bị bên đường Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/60 RSU thông qua kết nối V2I (vehicle to infrastructure) để tạo thành mạng VANETs chuyển tiếp thơng tin node mà không cần thiết bị điều khiển Các OBU thực kết nối không dây chuyển tiếp liệu cho sử dụng phương pháp multi-hop để truyền liệu xa tạo thành mạng Adhoc Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng mạng VANETs bao gồm RSU điểm truy cập không dây HS RSU kết nối internet thông qua quản lý quan công quyền, điểm nóng giao thơng tuyến đường tư nhân thường thiết lập thêm HS chúng kiểm soát Nếu trường hợp RSU HS khơng cung cấp internet OBU truy cập mạng vô tuyến công cộng như: (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) chúng tích hợp OBU [1,6] Các khối phần cứng cần có mạng VANETs: • Application Units (AU): thiết bị xe thiết kế vật lý chung riêng với OBU Các AU cung cấp dịch vụ an toàn cho người dùng cài đặt từ trước AU kết nối với OBU để truyền nhận liệu thực tác vụ xe • On-board Unit (OBU): Có chức truy cập vơ tuyến, định tuyến, kiểm soát tắc nghẽn mạng, chuyển tin nhắn tin cậy, bảo mật liệu, hỗ trợ truy cập internet chức khác OBU chịu trách nhiệm kết nối với OBU khác xe khác (V2V) kết nối với sở hạ tầng bên đường (V2I) OBU trang bị thiết bị mạng để tạo thành mạng Adhoc • Road-side unit (RSU): thiết bị vật lý đặt cố định đường vị trí cơng cộng như: trạm xăng, bãi đỗ xe nhà hàng Một RSU trang bị thiết bị mạng khơng dây tầm ngắn RSU trang bị thiết bị mạng khác để liên lạc với mạng sở hạ tầng khác Chức RSU là: o Mở rộng phạm vi mạng Adhoc Lấy thông tin từ RSU truyền cho RSU khác Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 46/60 Hình 5-10: Q trình sử lý có tuyến đường tối ưu giao thức DSDV kịch Đối với kịch hai giây thứ 15 node có địa IP 10.0.0.5 di chuyển vị trí cũ Lúc hình thành hai tuyến đường đến node đích có địa IP 10.0.0.14, tuyến đường sử dụng truyền liệu tuyến đường ban đầu Hình 5-11: Quá trình sử lý có tuyến đường tối ưu giao thức AODV kịch hai Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 47/60 Hình 5-12: Q trình sử lý có tuyến đường tối ưu giao thức DSDV kịch hai Ở hai kịch ta nhận thấy giao thức AODV tiếp tục truyền liệu đường định tuyến cũ dù có tuyến đường tối ưu Nhưng ngược lại giao thức DSDV qua trình cập nhật bảng định tuyến theo định kì lần nên theo tuyến đường tối ưu 5.1.3 Tỉ lệ gói tin: Tỉ lệ gói tin đánh giá qua cơng thức: Vì đặc tính di động mạng VANETs nên cấu trúc liên kết mạng thay đổi, giao thức định tuyến điều có phương pháp khắc phục kết nối liên kết mạng khác Tỉ lệ gói tin giúp ta đánh giá phương pháp tái hình thành định tuyến mạng giao thức hiệu Ở kịch 1: Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 48/60 Kịch hai: Tỉ lệ gói tin giao thức AODV thấp so với giao thức DSDV Vì giao thức AODV giao thức bị động, cần truyền liệu gửi thơng tin định tuyến đến tìm đường định tuyến truyền liệu Ngược lại giao thức DSDV giao thức chủ động bảng định tuyến cập nhật theo thời gian, thay đổi cấu trúc liên kết mạng chưa tìm định tuyến gây tượng gói liệu 5.2 Kết luận: Dựa vào kết đánh giá hai kịch mơ ta có kết so sánh hai giao thức định tuyến AODV DSDV: Bảng 5-1: So sánh hai giao thức AODV DSDV Các tiêu chí đánh giá Định tuyến ban đầu AODV DSDV Gửi thông tin định tuyến Định tuyến đến node khác đến tìm đường Tỉ lệ gói tin Ít Định tuyến đường tối Ít tối ưu ưu Bảng định tuyến lần Nhiều Tối ưu Chỉ cập nhật địa lân Cập nhật tồn node cận node đích mạng Khi kết nối Tạo kết nối khác gửi Vẫn tiếp tục gửi liệu trình truyền Overhead trì kết nối liệu Ban đầu trình Theo định kì discovery Dựa vào đánh giá ta so sánh ưu nhược điểm hai giao thức: Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 49/60 • AODV có ưu điểm tạo kết nối truyền liệu nhanh chóng, tốn dung lượng mạng hơn, tỉ lệ gói tin giao thức DSDV Nhược điểm trì đường truyền kết nối tìm lại đường điều khơng tối ưu đường truyền giao thức DSDV • DSDV có ưu điểm ln tìm đường kết nối tối ưu tìm đường cho tất node mạng nên việc truyền liệu khơng cần tìm lại đường Nhưng lại cập nhật tuyến đường theo thời gian định kì kết nối đường truyền giao thức gây tình trạng gói tin Một nhược điểm khác việc sẵn sàng định tuyến đường đến node khác mạng làm cho bảng định tuyến lưu trữ liệu lớn tốn overhead mạng lớn để trì, cập nhật bảng định tuyến Với đặc điểm để ứng dụng vào mạng VANETs ta nên ưu tiên sử dụng giao thức AODV giao thức DSDV cấu trúc mạng thường xuyên thay đổi xe di chuyển node phải tối ưu nguồn lượng hạn chế việc trao đổi liệu node Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 50/60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] Abdul Kalam Kunnel Aboobaker (2010), Department of Mathematics Royal Holloway, University of London Egham, Surrey TW20 0EX, England Performance Analysis of Authentication Protocols in Vehicular Ad Hoc Networks (VANET) [2] Amandeep Kaur, Anuj Kumar Gupta (2016), Performance Evaluation of AODV and DSDV using NS-3, pp 560-563, International Journal of Innovations in Engineering and Technology (IJIET), Volume Issue [3] Chitraxi Raj, Urvik Upadhayaya, Twinkle Makwana, Payal Mahida (2014), Simulation of VANET Using NS-3 and SUMO, Volume 4, Issue [4] Eitan Altman and Tania Jiménez (2011), NS Simulator for Beginners [5] Mukesh Kumar Saini and Abdulmotaleb El Saddik (2015), How close are we to realizing a pragmatic VANET solution? A meta-survey [6] Nor Surayati Mohamad Usop, Azizol Abdullah, Ahmad Faisal, Amri Abidin (2009), Performance Evaluation of AODV, DSDV & DSR Routing Protocol in Grid Environment, pp261-267, IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.9 No.7 [7] Rakesh Kumar, Mayank Dave (2014), Department of IT, M M University, Mullana, Haryana, India A Comparative Study of Various Routing Protocols in VANET IJCSI International Journal of Computer Science Issues, Vol 8, Issue 4, No [8] Venkatesh A Indra, R Murali (2014), Routing Protocols for Vehicular Adhoc Networks (VANETs): A Review, Vol 5, No Giao thức định tuyến VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 51/60 PHỤ LỤC Code giao thức AODV: #include "ns3/aodv-module.h" #include "ns3/core-module.h" #include "ns3/network-module.h" #include "ns3/internet-module.h" #include "ns3/mobility-module.h" #include "ns3/wifi-module.h" #include "ns3/applications-module.h" #include "ns3/netanim-module.h" #include "ns3/flow-monitor-module.h" #include #include #include #include #include using namespace ns3; int packetsSent = 0; int packetsReceived = 0; void ReceivePacket (Ptr socket) { Ptr packet; while ((packet = socket->Recv ())) { packetsReceived++; std::cout