Nghiên cứu và so sánh hiệu năng của một số giao thức định tuyến mạng VANET

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ` TRƯƠNG THỊ PHƯƠNG CHI NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG VANET Chun ngành: Hệ thống thơng tin Mã số: 61.49.01.04 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐÀ NẴNG - NĂM 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM, ĐHĐN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN SƠN Phản biện 1: PGS.TSKH TRẦN QUỐC CHIẾN Phản biện 2: PGS.TS LÊ MẠNH THẠNH Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Hệ thống thông tin, họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 30 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày cơng nghệ thơng tin có bƣớc tiến vƣợt bậc đƣợc áp dụng vào nhiều mặt đời sống xã hội nhƣ kinh tế, giáo dục, y tế, quân sự, có giao thông số lƣợng lớn loại xe ô tô tham gia giao thông làm tăng lên quan tâm việc phát triển kỹ thuật truyền thông dành cho phƣơng tiện xe cộ, vài dịch vụ di động hiệu kinh tế ứng dụng cho mạng giao thông đƣợc nghiên cứu, đặt tảng cho hệ thống vận tải thông minh Nhiều công nghệ đƣợc đề xuất cho hệ thống vận tải thông minh nh m mục đ ch tăng an toàn tuyến đƣờng vận tải hiệu cung cấp kết nối Internet không dây kh p m i nơi Nhu cầu truyền thông ngày lớn đ i h i dịch vụ chất lƣợng cao, cần phải có sở hạ tầng đáp ứng cho tr nh truyền thông nhiều môi trƣờng khác ặc biệt đời mạng không dây đáp ứng phần nhu cầu truyền thông cho nơi mà mạng có dây khơng thể thực tốt đƣợc Thêm vào ngh a truyền thơng khác, ch ng hạn tài xế nhanh chóng cập nhập thông tin giao thông bậc tuyến đƣờng với chi ph thấp Với lý này, truyền thông vô tuyến dành cho phƣơng tiện giao thông trở thành công nghệ quan tr ng Các mạng thông tin vô tuyến đƣợc chia thành hai dạng mạng có sở hạ tầng mạng Ad-hoc Hầu hết mạng thông tin vô tuyến ngày mạng có sở hạ tầng, bao gồm mạng thông tin di động mạng LAN khơng dây Trong mạng thơng tin vơ tuyến có sở hạ tầng, trạm gốc quản l thiết bị đầu cuối di chuyển phạm vi vùng phủ chúng Mặt khác, mạng di động Ah-hoc (Mobile Ad-hoc Networks - MANETs) đƣợc sử dụng quản lý mà khơng có sở hạ tầng đƣợc thiết lập trƣớc Thực tế, mạng MANET, thiết bị đầu cuối liên lạc trực tiếp với thiết bị khác mà không thông qua thiết bị quản l trung tâm Do MANET mạng mềm dẻo mà đƣợc thiết lập đâu vào thời điểm mà không cần đến sở hạ tầng tại, bao gồm cấu h nh trƣớc ngƣời quản trị, m i ngƣời nhận tiềm thƣơng mại lợi mạng ad hoc mang lại MANET đƣợc dùng quân sự, mạng cảm biến, hoạt động cứu hộ, sử dụng để truyền thông sinh viên khu trƣờng sở, trao đổi thông tin liệu khu thƣơng mại, tự chia sẻ kết nối Internet, dùng buổi hội thảo,… Các mạng MANET nhận đƣợc quan tâm đặc biệt l nh vực công nghiệp giáo dục Chúng thành phần quan tr ng mạng hệ Trong MANETs ban đầu đƣợc thiết kế cho mục đ ch quân sự, th lợi ch kỹ thuật vô tuyến, nhƣ mạng khu vực cá nhân (Personal Area Network - PAN) (v dụ Bluetooth 802.15.1, ZigBee) mạng LAN không dây (802.11), mang đến thây việc s dụng MANETs Chúng cho phép hỗ trợ phạm vi rộng ứng dụng thƣơng mại MANETs Bên cạnh kỹ thuật kể trên, truyền thông khoảng cách ng n (Dedicated Short Range Communications - DSRC) làm cho việc thông tin liên phƣơng tiện (Inter-Vehicular Communications - IVC) thông tin phƣơng tiện – tuyến đƣờng (Road-Vehicle Communications – RVC) trở nên khả thi mạng MANET iều khai sinh dạng mạng MANET đƣợc biết đến nhƣ mạng Vehicular Adhoc Networks (VANETs) [2] Mạng VANET trƣờng hợp đặc biệt MANET Chúng giống với mạng MANET với sơ đồ mạng (topology) biến đổi nhanh v di chuyển tốc độ cao phƣơng tiện Tuy nhiên, không giống nhƣ MANET, t nh di động phƣơng tiện VANET bị ràng buộc chung tuyến đƣờng đƣợc định trƣớc Vận tốc phƣơng tiện đƣợc ràng buộc theo giới hạn tốc độ, mức độ t c nghẽn tuyến đƣờng, chế điều khiển lƣu lƣợng (nhƣ đèn giao thơng) Thêm vào đó, phƣơng tiện giao thơng đƣợc trang bị thiết bị phát sóng khoảng cách xa hơn, nguồn lƣợng có khả phục hồi, khả lƣu trữ cao Do đó, cơng suất x l khả lƣu trữ vấn đề mạng VANET nhƣ mạng MANET Cùng với phát triển l nh vực VANET, số lƣợng ứng dụng cho việc bố tr phƣơng tiện đƣợc đƣa Các ứng dụng VANET bao gồm hệ thống an toàn hoạt động xe để hỗ trợ tài xế việc tránh va chạm điều phối h điểm nóng nhƣ giao lộ hay lối vào đƣờng cao tốc Các hệ thống an tồn phổ biến thơng tin tuyến đƣờng cách thông minh, nhƣ cố, t c nghẽn lƣu lƣợng thời gian thực, việc thu ph đƣờng cao tốc, hay điều kiện mặt đƣờng đến phƣơng tiện lân cận vị tr đƣợc đề cập iều giúp tránh việc phƣơng tiện bị dồn ứ theo cải thiện hiệu suất s dụng tuyến đƣờng Bên cạnh ứng dụng an tồn đƣợc đề cập, việc truyền thơng liên phƣơng tiện IVC đƣợc s dụng để cung cấp ứng dụng tiện ch, ch ng hạn nhƣ thông tin thời tiết, vị tr trạm xăng hay nhà hàng, ứng dụng truyền thông tƣơng tác nhƣ truy cập Internet, tải nhạc, phân phối nội dung Với ứng dụng thiết thực t nh cấp thiết để triển khai ứng dụng vào hệ thống giao thông nên em ch n thực đề tài Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng Nghiên cứu tổng quan mạng không dây mạng VANET Chƣơng Nghiên cứu giao thức định tuyến mạng VANET Chƣơng Thực nghiệm so sánh hiệu đánh giá kết DSR, AODV, AOMDV GPSR mạng VANET Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 2.1 Mục tiêu Căn vào mục đ ch luận văn, xin đƣa mục tiêu cụ thể nhƣ sau: - Giới thiệu tổng quan Mạng di động không dây đặc biệt –VANET - Nghiên cứu số giao thức định tuyến không dây sử dụng MANET: AODV, OLSR, DSR - Tìm hiểu khả mô ph ng giao thức định tuyến nhƣ mô h nh chuyển động khác mô ph ng mạng NS-2 5 - ánh giá b ng mô ph ng số giao thức định tuyến phổ biến ngữ cảnh chuyển động nút mạng khác 2.2 Nhiệm vụ ể đạt đƣợc mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu, thực việc phân t ch, so sánh đánh giá giao thức theo tiêu ch hiệu hoạt động giao thức Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Tổng quan VANET - Vấn đề định tuyến VANET 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu giao thức định tuyến mạng VANET - So sánh đánh giá giao thức định tuyến - Phần mềm mô ph ng NS2 - Phần mềm hổ trợ mô ph ng MOVE SUMO Phương pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu, sử dụng hai phƣơng pháp ch nh nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm 4.1 Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu - T m hiểu, thu thập phân t ch tài liệu liên quan đến đề tài - Nghiên cứu tài liệu mô tả đề tài lựa ch n hƣớng giải vấn đề - Xây dựng chƣơng tr nh để kiểm nghiệm kết 4.2 Phƣơng pháp thực nghiệm - Sử dụng chƣơng tr nh mô ph ng môi trƣờng NS-2 - Kiểm tra thực nghiệm chƣơng tr nh đánh giá kết 6 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Về khoa học Về thực tiễn Kết dự kiến 6.1 Lý thuyết 6.2 Thực tiễn Bố cục luận văn Báo cáo luận văn dự kiến tổ chức thành chƣơng ch nh nhƣ sau: MỞ ẦU CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ VANET 1.1 Giới thiệu VANET 1.2 Các đặc điểm VANET CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.1 CÁC THUẬT TOÁN ỊNH TUYẾN CƠ BẢN TRONG MẠNG 2.2 YÊU CẦU ỐI VỚI THUẬT TOÁN ỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.3 GIAO THỨC ỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG CÁC GIAO THỨC AODV, DSR VÀ OLSR TRONG MÔI TRƢỜNG NS-2 3.1 Giới thiệu môi trƣờng mô ph ng NS-2 3.2 Môi ph ng mạng không dây môi trƣờng NS-2 3.3 Phân t ch kết mô ph ng CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY VÀ MẠNG VANET 1.1 GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI KHÔNG DÂY 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Phân loại mạng không dây a Phân loại theo định dạng kiến trúc mạng b Phân loại theo phạm vi bao phủ truyền thông c Phân loại theo công nghệ truy cập đƣờng truyền d Phân loại theo ứng dụng mạng 1.2 MẠNG KHÔNG DÂY ĐẶC BIỆT VANET 1.2.1 Giới thiệu mạng VANET 1.2.2 ặc điểm mạng VANET 1.2.3 So sánh mạng MANET VANET 1.2.4 Mô h nh lớp mạng VANET 1.2.5 Ứng dụng khó khăn Ứng dụng Khó khăn CHƢƠNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.1 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CƠ BẢN TRONG MẠNG 2.1.1 Distance vector 2.1.2 Link State 2.1.3 Source routing 2.1.4 Kỹ thuật Flowding 2.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.3 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.3.1 Giao thức định tuyến DSR Hoạt động giao thức DSR bao gồm hai chế ch nh: chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery) chế trì thơng tin định tuyến (Route Maintanance) Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery): Tiến tr nh tạo thơng tin định tuyến phát gói tin Route Request (RREQ) đến node lân cận mạng Khi node nhận gói RREQ th tiến hành kiểm tra thơng tin RREQ nhƣ sau: Bƣớc 1: Thơng qua trƣờng request ID, kiểm tra xem nhận gói tin hay chƣa? Nếu tồn th loại b gói tin phản hồi RREP nguồn Ngƣợc lại th qua bƣớc 9 Bƣớc 2: Nó kiểm tra Route Cache có đƣờng đến node đ ch mà c n hiệu lực hay không? Nếu có đƣờng đến đ ch th phản hồi lại cho node nguồn b ng gói Route Reply (RREP) chứa thông tin đƣờng đến đ ch kết thúc tiến tr nh Ngƣợc lại th qua bƣớc Bƣớc 3: Nó kiểm tra địa đ ch cần t m có trùng với điạ hay khơng? Nếu trùng th gởi lại cho node nguồn gói Route Reply (RREP) chứa thơng tin đƣờng đến đ ch kết thúc tiến tr nh Ngƣợc lại th phát broadcast gói tin RREQ đến node láng giềng Các nút láng giềng sau nhận gói tin RREQ thực việc kiểm tra thông tin (quay bƣớc 1) Nhƣ vậy, tr nh tiếp tục node nguồn nhận đƣợc thông tin đƣờng đến đ ch thông tin r ng định tuyến đến đ ch Cơ chế tr thông tin định tuyến (Route Maintanance) Route Maintanance cho phép nút hệ thống mạng tự động bảo tr thông tin định tuyến Route Cache Trong giao thức định tuyến DSR, node chuyển gói tin mạng phải có nhiệm vụ xác nhận r ng gói tin chuyển đến node hay chƣa (thông qua phản hồi thông tin node nhận)? Trong trƣờng hợp mà node phát r ng gói tin khơng thể truyền đến node Nó gửi gói Route Error (RERR) cho node nguồn để thông báo t nh trạng thời liên kết điạ node mà 10 chuyển Khi node nguồn nhận đƣợc gói RERR, xóa đƣờng mà liên kết bị h ng Route cache t m đƣờng khác mà biết route cache khởi động tiến tr nh route discovery nhƣ không tồn đƣờng th ch hợp Route cache 2.3.2 Giao thức định tuyến AODV Quá tr nh định tuyến AODV gồm chế ch nh: chế tạo thông tin định tuyến chế tr thông tin định tuyến Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery): Tiến tr nh Route Discovery đƣợc khởi động node muốn trao đổi liệu với node khác mà bảng định tuyến khơng có thơng tin định tuyến đến node đ ch Khi tiến tr nh phát broadcast gói RREQ cho node láng giềng Thơng tin RREQ ngồi địa đ ch, địa nguồn, số hopcount (đƣợc khởi tạo giá trị ban đầu 0),… c n có trƣờng: số sequence number node nguồn, số broadcast id, giá trị sequence number đƣợc biết lần cuối node đ ch Khi node láng giềng nhận đƣợc gói RREQ, kiểm tra theo bƣớc: Bƣớc 1: Xem gói RREQ đƣợc xử lý chƣa? Nếu đƣợc xử lý th loại b gói tin phản hồi RREP nguồn Ngƣợc lại chuyển qua bƣớc Bƣớc 2: Nếu bảng định tuyến chứa đƣờng đến đ ch, th kiểm tra giá trị Destination sequence number entry chứa thông tin đƣờng với số Destination 11 sequence number gói RREQ, số Destination sequence number RREQ lớn số Destination squence number entry th khơng sử dụng thơng tin entry bảng định tuyến để trả lời cho node nguồn mà tiếp tục phát Broadcast gói RREQ đến cho node láng giềng Ngƣợc lại phát Unicast cho gói RREP ngƣợc trở lại cho node láng giềng để báo nhận gói RREQ Gói RREP ngồi thơng tin nhƣ: địa nguồn, địa đ ch…c n chứa thông tin: destination sequence number, hop-count, TTL Ngƣợc lại th qua bƣớc Bƣớc 3: Nếu bảng định tuyến khơng có đƣờng đến đ ch th tăng số Hop-count lên 1, đồng thời tự động thiết lập đƣờng ngƣợc (Reverse path ) từ đến node nguồn b ng cách ghi nhận lại địa node láng giềng mà nhận gói RREQ lần Entry chứa đƣờng ngƣợc đƣợc tồn khoảng thời gian đủ để gói RREQ t m đƣờng đến đ ch gói RREP phản hồi cho node nguồn, sau entry đƣợc xóa Quá tr nh kiểm tra lặp gặp node đ ch node trung gian mà có kiện th a bƣớc Trong tr nh trả gói RREP, node nhận lúc nhiều gói RREP, xử lý gói RREP có số Destination Sequence number lớn nhất, số Destination sequence number ch n gói RREP có số Hop-count nh Sau cập 12 nhật thông tin cần thiết vào bảng định tuyến chuyển gói RREP Cơ chế tr thông tin định tuyến: Cơ chế hoạt động AODV không cần phải biết thông tin nút láng giềng, cần dựa vào entry bảng định tuyến, node nhận thấy r ng Next hop (chặng kế tiếp) khơng thể t m thấy, th phát gói RRER (Route Error) khẩn cấp với số Sequence number b ng số Sequence number trƣớc cộng thêm 1, Hop count b ng ∞ gởi đến tất node láng giềng trạng thái active, node tiếp tục chuyển gói tin đến node láng giềng nó, nhƣ tất node mạng trạng thái active nhận đƣợc gói tin Sau nhận thơng báo này, node xóa tất đƣờng có chứa node h ng, đồng thời khởi động lại tiến tr nh Route discovery có nhu cầu định tuyến liệu đến node bị h ng b ng cách gởi gói tin RREQ (với số Sequence number b ng số Sequence number mà biết trƣớc cộng thêm 1) đến node láng giềng để t m đến địa đ ch 2.3.3 Giao thức định tuyến AOMDV AOMDV giao thức mở rộng giao thức AODV để t m kiếm bổ sung thêm nhiều tuyến đƣờng điểm nguồn điểm đ ch tr nh định tuyến 13 Cấu trúc bảng định tuyến Cơ chế tạo thông tin định tuyến CHƢƠNG THỰC NGHIỆM SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA DSR, AODV, AOMDV VÀ GPSR TRONG MẠNG VANET 3.1 GIỚI THIỆU MÔI TRƢỜNG MÔ PHỎNG 3.1.1 Phần mềm NS-2 3.1.2 Phần mềm MOVE 3.1.3 Phần mềm SUMO 3.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ SO SÁNH VÀ CÁCH THỨC PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.2.1 Xác định thông số so sánh Tỷ lệ phân phát gói tin thành cơng ( Packet delivery ratio ) Là tỷ lệ số gói tin đƣợc phân phát thành cơng tới đ ch so với số gói tin đƣợc gửi từ nguồn phát 3.2.2 Cách thức phân t ch biểu diễn kết mô ph ng a Cấu trúc tệp vết chứa kết mô ph ng b Công cụ phân t ch biểu diển kết mô ph ng Perl Gnuplot 3.3 THIẾT LẬP MÔ PHỎNG MẠNG VANET TRÊN NS2 3.3.1 Sơ đồ thực mô ph ng 14 3.3.2 Thiết lập tô-pô mạng mô h nh chuyển động nút mạng 3.3.3 Thực mô ph ng phân t ch kết a Thực mô ph ng Sau thiết lập tô-pô mạng kịch di chuyển xe việc thực thiết lập thông số mô ph ng: b Phân t ch kết mô ph ng ể phân t ch kết mô ph ng ta viết đoạn chƣơng tr nh b ng ngôn ngử perl để tách lấy thông tin cần, cần lấy thông tin là: Packet delivery ratio, End-to-end delay Hop 3.4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.4.1 Kết so sánh tỷ lệ phân phát gói tin thành cơng 3.4.2 Kết so sánh độ trễ đầu cuối trung b nh giao thức 3.4.3 Kết so sánh Hop-Count giao thức 3.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM H nh 3.19 cho ta thấy giao thức AODV, AOMDV, DSR có tỉ lệ Packet Delivery Ratio ổn định tối ƣu vào khoảng 100 node đến 150 node, giao thức GPSR thơng số Packet Delivery Ratio ổn định cao t biến đổi số lƣợng node tang lên nhƣng giá trị thấp dƣới 0.1 Với giao thức AOMDV, DSR GPSR có hạn chế về: Packet Delivery Ratio, End-to-End Delay, Hop Count đƣợc thể phần c n giao thức AODV có Packet 15 Delivery Ratio ổn định phần mơ ph ng này, nhƣng định tuyến dựa vào topology nên phải cập nhật bảng định tuyến thƣờng xuyên nên phù hợp với mạng có quy mơ nh khơng tối ƣu với hệ thống VANET rộng lớn Do vây giao thức không phù hợp với điều kiện thực tế, cần phải có giao thức định tuyến cho ứng dụng VANET mà phải phù hợp với tốc độ thay đổi thƣờng xuyên từ cao đến thấp, mật độ node lớn nh thay đổi liên tục quy mô rộng lớn hệ thống VANET  ... động giao thức Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Tổng quan VANET - Vấn đề định tuyến VANET 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu giao thức định tuyến mạng VANET - So sánh. .. Giới thiệu mạng VANET 1.2.2 ặc điểm mạng VANET 1.2.3 So sánh mạng MANET VANET 1.2.4 Mô h nh lớp mạng VANET 1.2.5 Ứng dụng khó khăn Ứng dụng Khó khăn CHƢƠNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET. .. ứng dụng vào hệ thống giao thông nên em ch n thực đề tài Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng Nghiên cứu tổng quan mạng không dây mạng VANET Chƣơng Nghiên cứu giao thức định tuyến mạng VANET Chƣơng