GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG VANETs (có code)

Đối với mạng VANETs mỗi node đều có thể là một thiết bị đích, không có thiết bịrouter nên việc định tuyến của mạng có một yêu cầu và thách thức riêng, đặc biệt làđặc đính các node di chu

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG

VANETs

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

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access

Non-DTN Non-Delay Tolerant Network

OBU On board unit

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexingRSU Road Side Unit

SCH Service channel

SME Station management entity

Sumo Simulation of Urban Mobility

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave AccessWSA WAVE Service Advertisement

WSM WAVE Short Message

WSMP WAVE Short Message Protocols

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài:

1.1.1 Thực trạng:

Trong 6 tháng đầu năm 2018 có đến gần 9.000 vụ tai nạn giao thông là một con

số không hề nhỏ Trong đó có đến một nửa là do ý thức của người tham gia giaothông và các sự cố cơ sở vật chất giao thông gây ra Các vụ tai nạn giao thông làmảnh hưởng nghiêm trọng đến kinh tế và sự mất mát cho gia đình người bị tai nạn,đồng thời cũng là gánh nặng cho nền kinh tế nước nhà

Ở các đô thị lớn của nước ta đặc biệt TP Hồ Chí Minh và Hà Nội tình hình ùntắc giao thông thường xuyên xảy ra hằng ngày ở các tuyến đường do lưu lượng xetăng quá nhanh cơ sở vật chất giao thông không theo kịp, các tuyến đường thườngxuyên bị ngập úng do triều cường và các con đường thường xuyên được sửa chữa.Người dân chủ yếu còn xem thường luật giao thông, ra đường thường xuyênkhông tuân thủ luật giao thông nên đây cũng là một nguyên nhân quan trọng làm ùntắc giao thông và gây ra các tai nạn giao thông đây cũng là một hình ảnh xấu làmảnh hưởng đến bộ mặt của đất nước trong hình ảnh của các du khách nước ngoài

VANETs là một nghiên cứu về cơ sở lý thuyết và mô phỏng góp phần giúp ích cho

sự nghiên cứu để hình thành một mạng VANETs áp dụng được vào thực tế

1.2 Mục tiêu đề tài

Nghiên cứu và thực hiện mô phỏng đánh giá hai giao thức định tuyến AODV vàDSDV trong môi trường mạng VANETs từ đó đưa ra kết luận triển khai mạng trênthực tế

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu các lý thuyết về VANETs:

• Tìm hiểu tổng quan về mạng VANETs: Đặc điểm, cấu trúc, ứng dụng vàcách thức giao tiếp dữ liệu trong mạng

• Các giao thức định tuyến trong VANETs

Thực hiện mô phỏng đánh giá:

• Tìm hiểu phần mềm mô phỏng NS3, cách thức mô phỏng mạng lướiVANETs

• Thực hiện mô phỏng và đánh giá 02 giao thức định tuyến AODV vàDSDV

CHƯƠNG 2 VANETs

2.1 Giới thiệu mạng VANETs

VANETs (Vehicular Ad Hoc Network) là một hệ thống mạng di động trong đócác xe sẽ được trang bị các thiết bị thu phát, chúng tạo thành các node như trongmạng ad-hoc vì vậy không cần dùng đến cơ sở hạ tầng mạng Các node mạng có thểliên lạc, chia sẻ và trao đổi thông tin cho nhau Các xe có thể đi ra khỏi vùng phủsóng, thoát khỏi mạng ngược lại có những xe khác đi vào vùng phủ sóng và kết nốivới mạng tạo nên một hệ thống internet di động Các thông tin được vận chuyểntrong mạng VANETs là lưu lượng xe, tình trạng kẹt xe, tai nạn giao thông, nhữngnguy hiểm có trên con đường và các dịch vụ đa phương tiện

Mạng VANETs không chỉ liên lạc giữa các xe cộ ở gần nhau mà chúng còn liênlạc giữa các xe với các trạm cố định RSU (Road Side Unit) ở trên đường [1,2]

Hình 2-1: Mô hình mạng VANETs[1]

2.2 Mục đích của mạng VANETs

Mục đích của mạng VANETs là đưa ra các thông tin cảnh báo an toàn cho kháchhàng và các dịch vụ tiện ích đi kèm Các thiết bị đặt bên trong xe cung cấp kết nốimạng kiểu Adhoc cho khách hàng Ưu điểm của mạng này là chúng hoạt độngkhông cần cơ sở hạ tầng như các mạng khác Mỗi thiết bị đầu cuối trong mạngVANETs được xem như là một node có thể gửi, nhận hoặc làm trung gian để truyềnnhận dữ liệu cho các node khác thông qua mạng không dây Nếu có các sự cố giữacác phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được chuyển đi trên mạngVANETs đến các xe khác cùng với các dịch vụ khác để giải quyết sự cố Ngoài ramạng VANETs có thể kết nối internet cho người dùng sử dụng các dịch vụ internetnhư: đa phương tiện, hình ảnh, âm thanh, video Ngoài ra còn có các dịch vụ khácnhư là: trả phí giao thông, phí gửi xe và kiểm soát các phương tiện tham gia giaothông [1]

2.3 Đặc điểm của mạng VANETs

Mạng VANETs có đặc điểm riêng, nó không yêu cầu cơ sở hạ tầng mạng nhưcác mạng vô tuyến khác như là: Trạm Base Station của mạng GSM, 3G, 4G vàkhông cần Access Point cho hệ thống Wifi hay Wimax VANET có thể khắc phụcđược nhược điểm của truyền dẫn vô tuyến về khoảng cách nhờ vào các node trunggian Nhưng nhược điểm của VANETs cũng chính là do không có cơ sở hạ tầng, sửdụng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên tính bảo mật không cao có khả năng bịlấy cấp thông tin và thông tin có thể bị lỗi hoặc bị nghẽn Việc truyền thông tin vềgiao thông qua các xe là rất cần thiết, phản ánh đúng tình hình giao thông trên giao

lộ nhưng nếu có sai lệch thì gây thiệt hại rất lớn vì thông tin sẽ được truyền đi đếntoàn bộ hệ thống [1,3]

Hình 2-2: Mô hình ứng dụng hệ thống VANETs [1]

Ngoài ra mạng VANETs còn có các đặc điểm khác như là:

• Node mạng di chuyển với tốc độ cao: Do các node mạng nằm trên xe có thể

di chuyển với tốc độ cao vì vậy thời gian kết nối giữa chúng tương đối ít Giả

sử hai xe đi ngược chiều nhau với vận tốc là 90km/h và phạm vi truyền dẫngiữa hai node là 250m thì hai xe có 5s để liên lạc với nhau

• Thường xuyên ngắt kết nối và kết nối mạng giữa các node: Khi hai xe đi xa

nhau vượt quá khoảng cách kết nối của thiết bị trên xe thì mạng mất kết nối

và phải kết nối với xe khác ở trong phạm vi hoạt động Nếu ở khu có mật độ

xe thấp thì việc kết nối với điểm chuyển tiếp là giải pháp tối ưu

• Dự đoán chuyển động của node: Để cho mạng hoạt động hiệu quả thì chúng

ta cần thuật toán giúp xác định và chuẩn đoán hướng chuyển động của xe đểxác định vị trí của node

• Môi trường truyền thông tin: Nếu các node trên xe chuyển động trên đường

cao tốc một chiều thì rất dễ dự đoán, nếu các node di chuyển trên phố vớimật độ xe, sự cản trở của các toà nhà và cây cối thì có thể gây cản trở lớn choquá trình truyền dữ liệu

• Hạn chế độ trễ: Do các vấn đề an toàn trên đường nên dữ liệu về tai nạn,

phanh xe… cần được truyền cho các node khác với tốc độ nhanh nhất Vì

vậy trong mạng VANETs cần khắc phục hạn chế này giúp an toàn cho ngườitham gia giao thông.

• Tương tác với onboard cảm biến: Cảm biến onboard giúp cung cấp vị trí

node và tình trạng của xe để liên kết truyền dữ liệu hiệu quả va chính xácnhất

2.4 Cấu trúc hệ thống mạng VANETs

Hình 2-3: Mô hình ứng dụng hệ thống VANETs

Một mạng VANETs gồm có ba thành phần cơ bản: thiết bị trong xe, kết nốiAdhoc và cơ sở hạ tầng bên đường như hình 2-3

Thiết bị trong xe: Trong xe gồm có một OBU và nhiều AU Các AU là những

ứng dụng trên xe sử dụng khả năng truyền nhận dữ liệu từ OBU OBU trang bị ítnhất một thiết bị kết nối không dây tầm ngắn an toàn và có khả năng lựa chọn cácthiết bị liên lạc an toàn hay không an toàn AU và OBU khác nhau về mặt chứcnăng logic tuy nhiên có thể thiết kế chúng trên một đơn vị vật lý

Adhoc: Mạng Adhoc được tạo nên từ các kết nối giữa các OBU trên các xe trong

phạm vi kết nối V2V (vehicle to vehicle) và kết nối giữa xe với thiết bị bên đường

là RSU thông qua kết nối V2I (vehicle to infrastructure) để tạo thành một mạngVANETs có thể chuyển tiếp thông tin giữa các node mà không cần thiết bị điềukhiển Các OBU thực hiện kết nối không dây và chuyển tiếp dữ liệu cho nhau và sửdụng phương pháp multi-hop để truyền dữ liệu đi xa tạo thành mạng Adhoc

Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng của mạng VANETs bao gồm các RSU và các điểm

truy cập không dây HS RSU được kết nối internet thông qua sự quản lý của cơquan công quyền, các điểm nóng về giao thông hoặc ở các tuyến đường tư nhânthường thiết lập thêm HS chúng ít kiểm soát hơn Nếu trong trường hợp RSU và HSđều không cung cấp internet thì OBU có thể truy cập các mạng vô tuyến công cộngnhư: (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) nếu chúng được tích hợp trongOBU [1,6]

Các khối phần cứng cần có trong mạng VANETs:

• Application Units (AU): là một thiết bị trong xe có thể được thiết kế vật lýchung hoặc riêng với OBU Các AU cung cấp các dịch vụ an toàn cho ngườidùng được cài đặt từ trước AU kết nối với OBU để truyền và nhận dữ liệuthực hiện các tác vụ trên xe

• On-board Unit (OBU): Có chức năng truy cập vô tuyến, định tuyến, kiểmsoát tắc nghẽn mạng, chuyển tin nhắn tin cậy, bảo mật dữ liệu, hỗ trợ truycập internet và các chức năng khác OBU chịu trách nhiệm kết nối với cácOBU khác trên các xe khác (V2V) và kết nối với các cơ sở hạ tầng bênđường (V2I) OBU được trang bị ít nhất một thiết bị mạng để tạo thành mộtmạng Adhoc

• Road-side unit (RSU): là một thiết bị vật lý được đặt cố định trên đườnghoặc các vị trí công cộng như: trạm xăng, bãi đỗ xe nhà hàng Một RSUđược trang bị ít nhất là một thiết bị mạng không dây tầm ngắn RSU cũng cóthể trang bị thiết bị mạng khác để liên lạc với mạng cơ sở hạ tầng khác Chứcnăng chính của RSU là:

o Mở rộng phạm vi của mạng Adhoc Lấy thông tin từ RSU và truyềncho RSU khác

Hình 2-4: RSU mở rộng phạm vi mạng

o Được cài đặt các ứng dụng an toàn, cảnh báo V2I như: cảnh báo về cơ

sở hạ tầng giao thông

o Cung cấp dịch vụ internet cho OBU

Hình 2-5: RSU cảnh báo về cơ sở hạ tầng giao thông

Hình 2-6: RSU cung cấp dịch vụ internet cho OBU

2.5 Ứng dụng hệ thống mạng VANETs

Hệ thống RSU bên đường có thể được xem là điểm truy cập, bộ định tuyến hay

là điểm trung gian có thể lưu trữ và cung cấp dữ liệu khi cần Tất cả dữ liệu ở RSUđược lấy từ các xe có thể phục vụ các ứng dụng khác nhau Các ứng dụng car tocar(V2V), car to Infrastructure(V2I), Car to Home và các ứng dụng dựa trên địnhtuyến được chia thành các nhóm khác nhau là: Ứng dụng an toàn cứng, ứng dụng antoàn mềm và ứng dụng di động truy cập internet

Hình 2-7: Ứng dụng mạng VANETs

2.5.1 Ứng dụng an toàn cứng (hard)

Các ứng dụng an toàn cứng có nhiệm vụ làm tránh các sự cố sắp xảy ra hoặcgiảm thiểu tối đa thiệt hại với các sự cố không thể tránh được Ứng dụng này đạtchuẩn truyền thông nghiêm ngặt để hạn chế tối đa độ trễ nhằm mục đích cung cấpcho người nhận thông tin chính xác với độ tin cậy cao nhất cho người nhận có đủthời gian thực hiện hành động cần thiết

2.5.2 Ứng dụng an toàn mềm (soft)

Ứng dụng an toàn mềm ít ưu tiên hơn ứng dụng an toàn cứng, thời gian truyền đivới độ trễ cao hơn Ứng dụng này cũng làm tăng sự an toàn cho người lái xe nhưngkhông cần thiết người lái xe phải tiếp nhận và có hành động ngay lập tức Các ứngdụng cụ thể tiêu biểu là: cảnh báo thời tiết, đường xá, khu vực có công trình đangxây dựng, ùn tắc giao thông… Từ đó người lái xe có thể lựa chọn các hành động là

đi thận trọng hay di chuyển qua các tuyến đường thay thế khác

2.5.3 Ứng dụng di động, tiện ích và internet

Các ứng dụng di động này giúp cải thiện lưu lượng tham gia giao thông như:điều hướng, chỉ dẫn đường, bản tin giao thông, hỗ trợ và điều phối giao thông Cácứng dụng tiện ích và truy cập internet giúp cho người tham gia giao thông giải tríphục vụ công việc Các dịch vụ này sẽ có độ trễ cao hơn các dịch vụ an toàn cứng

và mềm

2.6 Chuẩn truy cập dữ liệu trong hệ thống mạng VANETs

Mạng VANETs được phân bố 75MHz trong phổ tần số 5,850-5,925GHz cho cácgiao tiếp V2V và V2I Tiêu chuẩn truyền dữ liệu V2V trong VANETs gọi là WAVE.WAVE trong V2V gồm giao thức WSMP (WAVE Short Message Protocols) và góitin quản lý WSA (WAVE Service Advertisement) dựa trên nền tảng của hai chuẩnlà: 802.11p và IEEE 1609

2.6.1 Chuẩn 802.11p trong mạng VANETs

802.11p được đưa ra vào năm 2010 phát triển dựa trên chuẩn 802.11a 802.11pgiúp đảm bảo khả năng tương tác giữa các thiết bị có thể thay đổi môi trường giaotiếp nhanh Giúp giảm thời gian truyền dữ liệu và hạn chế độ trễ thiết lập BSS(Basic service set) cho phép các thiết bị giao tiếp trực tiếp với nhau Một bộ tham sốEDCA (Enhanced Distributed Channel Access) được tối ưu hoá và sử dụng cho các

tin nhắn ngắn Tiêu chuẩn này còn có một khung quản lý mới là TimingAdvertisement (TA) sửa lại các khung hành động cụ thể của nhà cung cấp (VSA)với bộ định danh (OID) 802.11p sử dụng công nghệ ghép kênh tần số trực giao(OFDM) và băng thông kênh là 10MHz.

2.6.2 Chuẩn IEEE 1609 trong mạng VANETs

Các chuẩn 802.11 phải mất nhiều thời gian để hình thành kết nối khi nhận khungthông tin đầu tiên và đặc biệt khi hai xe di chuyển ngược chiều nhau rất khó để hìnhthành kết nối trao đổi dữ liệu từ hai xe Để khắc phục điều này ta cần một trạm quản

lý trung gian SME (Station management entity) hoặc tìm giao thức cấp cao hơn.Việc truyền dữ liệu từ xe đến trạm cố định thì sử dụng giao thức chuẩn IEEE 1609.Các chuẩn IEEE 1609 hỗ trợ việc truyền dữ liệu cần thiết cao hơn giới hạn củakhung dữ liệu 802.11p Chức năng của các lớp IEEE 1609:

• IEEE 1609.1 Phục vụ lớp ứng dụng giúp định nghĩa quản lý tài nguyên chophép các ứng dụng trên các đơn vị bên đường để giao tiếp với các đơn vị gắntrên phương tiện

• IEEE 1609.2 Giúp định nghĩa dịch vụ bảo mật, chức thực và mã hoá thôngđiệp trạm

• IEEE 1609.3 Quy định cụ thể các dịch vụ mạng cụ thể cho truyền dữ liệuVANETs và giao thức sử lý WSM (WAVE Short Message)

• IEEE 1609.4 Định nghĩa các hoạt động của các kênh như CCH và SCH và cómối quan hệ với cơ chế EDCA

CHƯƠNG 3 CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG VANETs

3.1 Định tuyến

Định tuyến là một quá trình chọn lựa đường đi trên mạng máy tính Định tuyếngiúp tìm ra đường thích hợp nhất, từ tuyến đường đó ta có thể gửi gói dữ liệu trênmạng đến máy tính đích một cách tối ưu nhất có thể Định tuyến có mặt ở rất nhiềuloại mạng điển hình như: mạng internet, mạng điện thoại, mạng VANETs…Thựcchất định tuyến là tìm ra đường đi từ node truyền dữ liệu đến node đích thông quacác node trung gian Việc định tuyến thực hiện được chủ yếu là dựa vào bảng địnhtuyến Định tuyến chủ yếu được chia làm hai loại: định tuyến tự động là định tuyếnthủ công, tuỳ vào tính chất của mạng ta có thể thực hiện kết hợp hai loại định tuyếncùng nhau

Giao thức định tuyến dùng để thi hành thuật toán định tuyến tự động cho việctrao đổi thông tin và tìm đường định tuyến cho các node trong mạng Giao thứcđịnh tuyến giúp xây dựng một bảng định tuyến một cách tự động theo các thuật toánđịnh tuyến

Có nhiều loại thuật toán định tuyến trong đó có hai loại cơ bản là: Thuật toánvector (distance-vector routing protocols) và Thuật toán trạng thái kết nối (Link-state routing protocols):

• Thuật toán vector: Dùng thuật toán Bellman-Ford phương pháp chỉ địnhmột số cho mỗi liên kết giữa các node trong mạng Các node truyền từnode nguồn đến node đích cho một số thấp nhất và số đó là tổng các kếtnối đi qua các node trung gian

• Thuật toán trạng thái kết nối: Mỗi node sử dụng cơ sở dữ liệu của mạngđược xem như là bảng đồ của mạng với dạng một đồ thị Mỗi node trongmạng phát một luồng thông tin về các node mà nó có thể trực tiếp kết nốiđược cứ như vậy từng node trong mạng góp phần tạo ra một bảng đồ

mạng một cách độc lập Từ bảng định tuyến do con router quản lý sẽquyết định tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi node

Đối với mạng VANETs mỗi node đều có thể là một thiết bị đích, không có thiết bịrouter nên việc định tuyến của mạng có một yêu cầu và thách thức riêng, đặc biệt làđặc đính các node di chuyển linh động cấu trúc liên kết mạng rất dễ bị phá vở nênđòi hỏi phải có các giao thức định tuyến riêng

3.2 Tổng quan về định tuyến trong VANETs

Hình 3-1: Tổng quan về các giao thức định tuyến trong VANETs

Mục đích chính của mạng VANETs là cho phép các node truyền một thông điệpkhẩn cấp đến các phương tiện gần đó Các node thường gửi broadcast đến các nodegần đó còn với các tin nhắn đối với ứng dụng không an toàn có thể chọn kiểu gửiunicast Do đặc thù của mạng VANETs các node không chỉ là node nguồn và nodeđích mà còn là node chuyển tiếp các gói dữ liệu vì vậy việc định tuyến cho mạng là

rất cần thiết Việc định tuyến đường truyền có thể chia theo cách thức truyền tin:broadcast, unicast, multicast Ở mỗi cách thức truyền tin ta lại chia định tuyến theocấu trúc liên kết và vị trí như hình 3-1[5].

• Broadcast: Định tuyến theo broadcast chủ yếu dùng để truyền các tin nhắn vềđiều kiện giao thông, các cảnh báo khẩn cấp giữa các phương tiện Nó có thểđịnh tuyến nhiều bước để truyền các thông điệp quan trọng đến người gửivượt xa ngoài phạm vi kết nối trực tiếp Để làm được việc này các node nhậntin nhắn phải phát lại một gói tin như vậy điều này làm cho overhead củamạng lớn Hầu hết các giao thức phát sóng broadcast tập trung giảm thiểuoverhead bằng cách phân loại các node, chỉ cho một số node phát sóng lại

• Multicast: Dùng để định tuyến gửi từ một node đến một nhóm các node.Giao thức Multicast cũng được phân chia theo vị trí và cấu trúc liên kết Mộtthông điệp được gửi cho một node thuộc một vùng cụ thể

• Unicast: Mục tiêu của nhóm giao thức này là gửi từ một nguồn đến một đíchduy nhất Giao thức này cũng được chia thành vị trí và cấu trúc liên kết Giaothức theo cấu trúc liên kết được chia bị động va chủ động

3.3 Tổng quan định tuyến theo Unicast trong VANETs

Định tuyến theo unicast được chia thành cấu trúc liên kết và vị trí liên kết như hình 3-2

Hình 3-2: phân chia các giao thức định tuyến trong mạng VANETs theo unicast

3.4 Giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết theo unicast

Giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết (Topology-Based RoutingProtocols) sử dụng các bảng định tuyến để lưu trữ thông tin liên kết làm cơ sởchuyển tiếp từ nguồn đến đích Giao thức này phân loại dựa trên kiến trúc mạng làProactive và Reactive

3.4.1 Nhóm Giao thức định tuyến Proactive

Giao thức định tuyến Proactive còn được gọi là giao thức hoạt động dựa trênbảng định tuyến để nhận biết thông tin các node còn lại Vì vậy mỗi node có thể biếtđược kiến trúc tổng thể của mạng Ưu điểm của các giao thức này là không cần phảitìm tuyến đường vì tuyến đường được lưu trữ trong bảng định tuyến nhưng để duy

trì các tuyến đường không sử dụng làm cho băng thông của mạng sẽ bị giảm đây lànhược điểm của các giao thức này Điển hình của giao thức Proactive là giao thứcđịnh tuyến vector (DSDV) và giao thức định tuyến trạng thái (FSR).

3.4.2 Nhóm Giao thức định tuyến Reactive

Đây là giao thức định tuyến theo yêu cầu, đường đi chỉ được xác định khi mộtnode có nhu cầu truyền gói tin Nó chỉ duy trì liên kết với các tuyến đường đangđược sử dụng Phương pháp này làm giảm gánh nặng trong mạng hạn chế sử dụngbăng thông Nhóm giao thức định tuyến Reactive gồm các giai đoạn phát hiện tuyếnđường khi các gói truy vấn tuyến đường được phát cho toàn bộ các node lân cận chođến khi tới được node cần truyền Nhưng nhược điểm là gây trễ lớn cho các khungtruyền dẫn đầu tiên và thời gian chọn đường truyền dẫn chậm Các giao thứcReactive điển hình là AODV (On – Demand Vector Routing) vector khoảng cáchtheo yêu cầu và giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing).Khi xảy ra lỗi tại một node trên quá trình truyền dữ liệu các giao thức định tuyếnthường khôi phục đường truyền bằng cách tạo tuyến đường mới Sử dụng thông tinphản hồi đến các node nguồn nhằm để khởi tạo tuyến đường mới nếu kích thướcmạng lớn thì lưu lượng gói tin tăng lên rất nhanh nhất là đối với nhóm giao thứcđịnh tuyến proactive Kích thước mạng tăng lên thì đồng nghĩa với việc hiệu năngmạng bị giảm do hiện tượng trễ của thủ tục định tuyến

3.5 Giao thức định tuyến dựa trên vị trí theo unicast

Đối với nhóm giao thức này các node khi muốn truyền dữ liệu không cần tìmtuyến đường hay duy trì tất cả tuyến đường như các giao thức định tuyến dựa trêncấu trúc dữ liệu Khi một node muốn truyền dữ liệu nó sẽ tự xác định vị trí của nócũng như vị trí của node cần truyền đến bằng cách dựa trên sự hỗ trợ của công nghệđịnh vị toàn cầu như GPS Các giao thức định tuyến này khắc phục nhược điểm củacác giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết mạng vì xe di chuyển liên tục vàtốc độ thay đổi, các xe di chuyển ngược chiều nhau thì khoảng cách của chúng cũng

thay đổi rất nhanh trong khoảng thời gian rất ngắn nên tốc độ thay đổi cấu trúc liênkết mạng thường rất cao và băng thông cần thiết để duy trì tuyến đường rất lớn đểcác tuyến đường luôn được cập nhật Các giao thức định tuyến dựa trên vị trí đượcchia thành 3 loại là: DTN (Delay Tolerant Network), Non-DTN (Non-DelayTolerant Network) và Hybrid.

3.5.1 Nhóm giao thức định tuyến Non-Delay Tolerant Network (Non-DTN)

Non-DTN là giao thức định tuyến cho thời gian đưa gói tin từ nguồn đến đíchmột cách nhanh nhất Nhóm giao thức này phù hợp với các ứng dụng an toàn yêucầu truyền gói tin sớm nhất Thời gian trễ khi truyền dẫn trong giao thức này làquan trọng nhất và phương pháp được áp dụng đó là tìm con đường dẫn ngắn nhất.Giao thức này có hạn chế là ở các vùng có mật độ xe thưa thớt đường định vị ngắnnhất có thể không kết nối được với điểm đích Điển hình của nhóm này là giao thứcGPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) khi không thể kết nối tiếp trên conđường đến đích giao thức này sử dụng kĩ thuật mô hình nhóm cho dự đoán di độngtrong bán kính node đó

3.5.2 Nhóm giao thức định tuyến Delay Tolerant Network (DTN)

Là các giao thức mạng giải quyết các vấn đề kĩ thuật liên quan đến việc mạngkhông đồng nhất Đặc trưng là các vấn đề về độ trễ, băng thông, xác suất lỗi và độ

ổn định đường dẫn Khi một node không thể liên lạc với các node khác giao thức sẽlưu lại gói và chuyển tiếp khi đường truyền dữ liệu được kết nối trở lại

3.6 Giao thức định tuyến AODV

AODV (Adhoc On-demand Distance Vector) là một giao thức định tuyếnkhoảng cách theo yêu cầu, dùng để truyền thông điệp gián tiếp từ node này đếnnode khác ở một khoảng cách xa thông qua các node lân cận Giao thức chỉ tìmkiếm đường truyền khi có nhu cầu gửi các gói dữ liệu từ nguồn đến đích Giao thứcphân phối các gói yêu cầu định tuyến chỉ khi được yêu cầu Giao thức AODV sửdụng bảng định tuyến truyền thống để lưu trữ thông tin định tuyến AODV không sửdụng định tuyến nguồn mà chỉ cần quan tâm đến các node láng giềng của nó,AODV dựa trên các entry của bảng định tuyến để phát gói RREP để gửi về chonode nguồn [8]

Hình 3-3: Các thông báo định tuyến trong AODV

Các node lân cận liên lạc thông tin hello với nhau để giữ liên lạc, khi một nodemuốn truyền dữ liệu cho node khác nó sẽ gửi một thông điệp RREQ cho các nodelân cận và các node lân cận sẽ truyền cho các node lân cận khác đến khi tìm đếnnode đích Khi tìm được node nhận, node kết nối trực tiếp với node nhận sẽ truyềnthông điệp về cho node nguồn, thiết lập kết nối Sau đó dữ liệu được truyền theotuyến đường vừa được tìm kiếm Do đặc tính di động của mạng nên có thể kết nối

tại một số node nào đó trong tuyến đường có thể bị mất kết nối, lúc này node khônggửi dữ liệu đi tiếp đến node đích sẽ gửi về node nguồn một thông điệp RRER.

Để đảm bảo thông tin trong bảng định tuyến là mới nhất thì AODV sử dụng kháiniệm destination sequence number để cập nhật các tuyến đường mới nhất vào trongbảng định tuyến Request ID đánh số thứ tự các gói tin định tuyến tránh việc mộtnode gửi một thông điệp định tuyến nhiều lần và tránh gửi vòng lặp trong mạng

• Cơ chế Router Discovery:

Một node có hai bộ phận đếm (counter): Bộ đếm số sequence và bộ đếmbroadcast ID Các số sequence được tăng lên khi:

o Trước quá trình Router Discovery (khám phá định tuyến) để chốngxung đột với các gói RREP trước đó

o Trước khi node đích gửi gói RREP để trả lời gói RREQ nó sẽ nhậpcác giá trị số sequence để định hướng đường đi cho gói RREP

o Khi có sự thay đổi mạng cục bộ nó sẽ tăng số sequence giúp dichuyển đến các node láng giềng giúp cho quá trình truyền tiếp tục

o Số request ID được tăng khi node khởi động quá trình RouterDiscovery mới

Khi một node nguồn muốn gửi dữ liệu cho node đích đầu tiên nó kiểm tra trongbảng định tuyến xem có tuyến đường chưa Nếu có thì thực hiện gửi theo tuyếnđường đó ngược lại thì bắt đầu quá trình tìm kiếm tuyến đường gửi dữ liệu bằngcách phát thông điệp RREQ gồm: Địa chỉ node nguồn, địa chỉ node đích, IDrequest, số sequence, số hop-count Quá trình Router Discovery thực hiện như sau:Bước 1: Node nguồn gửi thông điệp RREQ cho các node lân cận request IDtăng lên, số sequence tăng lên để xác định gói tin và tránh xung đột với gói tintrước

Bước 2: Node nhận được thông điệp RREQ sẽ kiểm tra số Request ID xem node

đó đã xử lý gói RREQ đó chưa Nếu rồi thì loại bỏ còn chưa thì qua bước 3

Bước 3: Tìm xem vùng lân cận có node nào đúng với địa chỉ ID của node đíchkhông nếu không thì sẽ chuyển RREQ đến node lân cận và tăng hop-count lên 1 và

tự động thiết lập một tuyến đường ngược về node nguồn bằng cách ghi lại địa chỉnode truyền gói RREQ cho nó lần đầu tiên Entry này tồn tại trong một khoảng thờigian đủ để RREQ tìm được node đích và truyền gói RREP về cho node nguồn sau

đó nó được xoá đi Nếu node này có thể kết nối với node đích thì chuyển đến bước4

Bước 4: Khi node nhận RREQ, tìm được node lân cận có địa chỉ ID là node đích

và nếu số Sequence trong RREQ lớn hơn hoặc bằng thì so sánh số hop-count nhỏnhất thì node đó sẽ tăng số sequence lên và trả về thông điệp RREP Thông điệpRREP gồm: Địa chỉ nguồn, địa chỉ đến, số sequence vừa mới làm mới, hop count.Gói tin RREP được truyền về node nguồn theo entry đã được thiết lập ở bước 3.Trong quá trình truyền gói tin RREP về một node có thể nhận nhiều gói RREP góiRREP được sử dụng cập nhật bảng định tuyến là gói có số Sequence lớn nhất, nếu

số Sequence bằng thì so sánh số hop-count nhỏ nhất Như vậy khi gói tin RREPtruyền qua một node nó sẽ cập nhật thông tin tuyến đường đi tìm được vào bảngđịnh tuyến quá trình này liên tục diễn ra đến khi gói tin RREP đến node nguồn

Hình 3-4: Quá trình truyền thông điệp RREQ trong giao thức AODV

Hình 3-5: Quá trình truyền thông điệp RREP trong giao thức AODV

• Cơ chế tìm đường mới khi bị mất kết nối:

Nếu trong quá trình truyền dữ liệu một node có thể di chuyển do cơ chế di độngcủa mạng và làm mất kết nối với node khác làm cho đường đi truyền dữ liệu bị mấtkết nối Trong trường hợp này tại node bị mất kết nối với node khác trên đường đitruyền dữ liệu sẽ gửi một thông điệp RRER về các node đang truyền dữ liệu vàthông báo về cho node nguồn, tại đây node nguồn thực hiện cơ chế router discoverymới để có thể thiết lập lại tuyến đường khác và truyền dữ liệu tiếp tục Thông điệpRRER chứa IP node bị lỗi và số hop-count node bị lỗi

Bảng định tuyến của giao thức AODV:

Bảng định tuyến của giao thức AODV rất quan trọng, đây là cơ chế chính giúp địnhtuyến được đường đi truyền dữ liệu Bảng định tuyến chứa thông tin địa chỉ node kếtiếp node nguồn node đích, số hop-count, request ID, số sequence Mỗi một nodetrong mạng đều có một bảng định tuyến.

Bảng 3-1: Ví dụ về bảng định tuyến giao thức AODV

Node nguồn Node đích Node kế tiếp Hop-count Request ID sequence

Số Sequence giúp cập nhật bảng định tuyến Sau khi RREP được gửi về nguồn

sẽ phân tích dữ liệu Số Sequence nếu lớn hơn Số Sequence của bảng định tuyến thìcập nhật tuyến đường đó vào bảng định tuyến Bảng định tuyến chỉ lưu bước tiếptheo của tuyến đường chứ không lưu toàn bộ cấu trúc liên kết

Hình 3-6 là giải thuật định tuyến tìm đường đi của giao thức định tuyến AODV

Kiểm tra IP điểm đến hay không?

Sequence +1Gửi RREP

Hop-counter +1

Kiểm tra Sequence và Hop-counter

Kiểm tra Sequence và Hop-counter

Bắt đầu

Sequence +1,ID điểm đến,

Hop-counter = 0,ID nguồn,

Kiểm tra Request ID

Kiểm tra có phải node nguồn không?

Kiểm tra có phải node nguồn không?

3.7 Giao thức định tuyến DSDV

DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là giao thức địnhtuyến vector khoảng cách dựa trên thuật toán Bellman-Ford Cũng giống như giaothức AODV giao thức DSDV sử dụng số Sequence Kỹ thuật này giúp cập nhậtbảng định tuyến theo định kì Mỗi node sẽ tăng số Sequence trong bảng định tuyếnsau mỗi lần định tuyến thành công Khi một gói dữ liệu được yêu cầu truyền đi nếuđường truyền đã tồn tại thì gói dữ liệu sẽ không bị chậm trễ ngược lại nếu chưa cóđường truyền thì gói dữ liệu sẽ đợi đến khi tìm được đường truyền tương ứng vớinó[7,8]

Hình 3-7: Giải thuật định tuyến DSDV

Kết thúc

So sánh số sequence, hop-counter

So sánh số sequence, hop-counter

Gửi thông tin định tuyến đicác node lân cận

Cập nhật bảng định tuyến

Số Sequence+1

Bắt đầu

Số Sequence+1

Giải thuật DSDV luôn cập nhật tuyến đường đi cho dù tuyến đường đó hiện tạichưa được sử dụng Việc duy trì bảng định tuyến được thiết lập mặc định, cứ saumột khoảng thời gian mặc định quá trình cập nhật định tuyến diễn ra trên tất cả cácnode trong mạng Quá trình duy trì và cập nhật bảng định tuyến từ một node cho tất

cả tuyến đường như sau:

Bước 1: Tăng số Sequence lên một và số hop-counter=0

Bước 2: Gửi thông điệp định tuyến cho các node có thể kết nối trực tiếp với nó, tăng

số hop-counter lên 1 đơn vị

Bước 3: Tăng số Sequence lên 1 đơn vị và gửi thông tin về node nguồn

Bước 3: Tại node nguồn so sánh số Sequence lớn hơn hoặc bằng thì số hop-counternhỏ nhất sẽ cập nhật tuyến đường đến node đó vào bảng định tuyến tại node nguồn.Bước 4:Tại node vừa nhận được thông tin định tuyến ta tiếp tục gửi thông tin địnhtuyến, gói tin định tuyến được tăng số hop-counter lên một đơn vị, giữ nguyên sốSequence từ node nguồn đến các node lân cận bắt đầu lại bước 2

Dựa vào bảng định tuyến giao thức DSDV giúp truyền dữ liệu từ node nguồn đếnnode đích một cách nhanh chóng tránh vòng lập Bảng định tuyến của giao thứcDSDV gồm có: Địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, địa chỉ hop tiếp theo, hop-count và sốsequence

CHƯƠNG 4 THỰC HIỆN MÔ PHỎNG

4.1 Phần mềm mô phỏng mạng NS-3

NS-3 là trình mô phỏng mạng rời rạc cho hệ thống Internet được phát triển chomục đích nghiên cứu và học tập NS-3 được phát triển thay thế cho phiên bảngtrước là NS-2 NS-3 được cho ra đời vào năm 2006 Trình mô phỏng này là một mãnguồn mở được viết bằng ngôn ngữ C++ và Python dưới dạng các Module được kếthừa và phát triển NS-3 không phải là phần mở rộng và tương thích với phần mềmNS-2 mà là một mô phỏng mới, đây là một trình giả lập mạng mới hoàn toàn NS-3được cung cấp một nền tảng mô phỏng mạng mở, có thể mở rộng có thể nghiên cứu

và giáo dục NS-3 cung cấp mô hình cách thức hoạt động dữ liệu mạng và cung cấpmột hệ thống mô phỏng thực nghiệm gần giống như hệ thống thực.[5]

NS-3 được thiết kế là một tập hợp nhiều thư viện có thể liên kết lại với nhau vàcòn hỗ trợ thư viện của phần mềm khác NS-3 chủ yếu thực hiện trên hệ thống phầnmềm Linux

Chúng ta có thể tham khảo, hiểu thêm từ phần mềm NS-3 trên các trang web:

http://www.nsnam.org cho ta biết các vấn đề cơ bản về phần mềm NS-3 và các codenguồn tham khảo Trang web http://www.nsnam.org/documentation/ chứa các thôngtin cơ bản của NS-3

Một số câu lệnh cần thiết để chạy file code trong NS-3:

Đầu tiên để chạy mô phỏng ta phải đưa file code vào thư mục Scratch trong NS-3

• Câu lệnh cơ bản để chạy code NS-3:

./waf run scratch/Vanet-routing-compare

Trong đó Vanet-routing-compare là tên file code cần được chạy

• Câu lệnh chạy mô phỏng có thể đưa tham số vào code:

./waf run “scratch/vanet-routing-compare protocol=1 n_mnode=50”

Đây là code đưa tham số protocol=1 và số node mô phỏng là 50

• Lệnh mô phỏng trên NetAnim:

Các bước chạy mô phỏng xe di động từ file sumo.cfg đã tạo được:

• Mở trình mô phỏng sumo bằng lệnh trên terminal của Ubuntu /sumo-gui

• Thêm file sumo.cfg đã được tạo từ trước vào trình mô phỏng

• Chọn kiểu mô phỏng real world

• Đặt thời gian mô phỏng và ấn phím run để bắt đầu quá trình mô phỏng

Hình 4-2: Giao diện trình mô phỏng sumo

Hình 4-3: Thực hiên mô phỏng xe đang di động trên sumo