nghiên cứu về công nghệ mạng MANET - mạng tuỳ biến di động, vàmô phỏng các giao thức tầng MAC - S-MAC và T-MAC của mạng MANET.

nghiên cứu về ,công nghệ mạng MANET,mạng tuỳ biến di động,mô phỏng các giao thức, tầng MAC - S-MAC ,T-MAC của mạng MANET.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, đất nước đang phát triển, theo đó là sự phát triển của công nghệ

thông tin Công nghệ thông tin phát triển ngày càng nhanh cùng với sự ra đời của các

công nghệ tiên tiến, hiện đại Sự ra đời của mạng không dây khẳng định bước tiến mới

trong ngành công nghệ thông tin Mạng MANET là mảng mới của công nghệ mạng

không dây và đang nhận được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu

1.2 Mục tiêu đề tài

Đề tài này nghiên cứu về công nghệ mạng MANET - mạng tuỳ biến di động, và

mô phỏng các giao thức tầng MAC - S-MAC và T-MAC của mạng MANET

1.3 Nội dung thực hiện

- Tìm hiểu về mạng MANET

- Tìm hiểu về giao thức tầng MAC trong mạng MANET

- Tìm hiểu phần mềm NS2

- Mô phỏng giao thức tầng MAC bằng NS2

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp đọc tài liệu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về mạng MANET

2.1.1 Khái niệm

- MANET là viết tắt của mạng tùy biến di động(Mobile Adhoc Network), hay còn gọi

là mô hình mạng độc lập IBSSs(Independent Basic Service sets)

- Là tập hợp node mạng không dây, những node này có thể được thiết lập tại ất kỳ thời

điểm nào và bất kỳ nơi nào Mạng MANET không dùng bất kỳ cơ sở hạ tầng nào Nó

là 1 hệ thống tự trị mà máy chủ di động được kết nối bằng đường vô tuyến và có thể di

chuyển tự do, thường hoạt động như 1 router

- Đặc tính của mạng:

+ Tính tự thiết lập: không phụ thuộc vào bất kỳ cấu trúc mạng nào sẵn có cũng như sự

quản lý tập trung tại bất kỳ một nút mạng nào

+ Môi trường mạng không dây: nhìn chung các nút mạng không dây sử dụng tần số

radio hoặc hồng ngoại để trao đổi dữ liệu Nhưng trong môi trường này các thiết bị

chịu một số hạn chế: băng thông thấp, môi trường truyền có độ tin cậy thấp, hạn chế

về năng lượng , bộ nhớ, khả năng tính toán…

+ Dễ bị ảnh hưởng do vấn đề an ninh

+ Thiết bị tự trị đầu cuối: Trong MANET, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự

trị Nó có thể mang chức năng của host và router Bên cạnh khả năng xử lý cơ bản của

một host, các node di động này có thể chuyển đổi chức năng như một router Vì vậy

thiết bị đầu cuối và chuyển mạch là không thể phân biệt được trong mạng MANET

+ Phân chia hoạt động: vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát

hoạt động của mạng, nên việc kiểm sát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho

các thiết bị đầu cuối Các node trong MANET phải có sự phối hợp với nhau

+ Định tuyến đa đường: khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm

trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua

một hoặc nhiều trung gian các nút

+ Cấu hình động: vì các node là di động nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh,

không biết trước và các kết nối trên các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian

- Cấu trúc mạng

Hình 2.1: Cấu trúc mạng MANET

Tại một thời điểm, mạng MANET có một số node nào đó, nhưng tại một thời điểm

nào đó, mạng này có thể phân chia thành nhiều mạng MANET Sau đó nó lại có thể

nhập thành một nhóm mới các node và trở thành một mạng MANET lớn hơn

- Các chế độ hoạt động và kiểu kết nối

+ Các chế độ hoạt động:

Chế độ cơ sở hạ tầng: mạng bao gồm các điểm truy cập AP cố định và các node

di động tham gia vào mạng, thực hiện truyền thông qua các điểm truy cập Các liên

kết có thể thực hiện qua nhiều chặng

Hình 2.2: Chế độ cơ sở hạ tầng

Chế độ IEEE-adhoc: các node di động truyền thông với nhau mà không cần tới

1 cơ sở hạ tầng nào Các liên kết không thể thực hiện qua nhiều chặng

Hình 2.3: Chế độ IEEE-adhoc

+ Kiểu kết nối topo mạng

Mạng máy chủ di động: ở topo này, các thiết bị chỉ liên kết với một máy chủ duy nhất

Hình 2.4: Mạng máy chủ di động

Mạng có các thiết bị di động không đồng nhất: ở topo này các máy có thể liên

kết trực tiếp với nhau trong phạm vi phủ sóng của mình

2.1.2 Phân loại

- Theo giao thức

+ Singal-hop: là loại mô hình mạng adhoc đơn giản nhất Trong đó tất cả các node đều

nằm trong vùng phủ sóng, nghĩa là các node có thể liên kết với nhau mà không cần

qua node trung gian

Multi-hop: đây là mô hình phổ biến nhất trong mạng MANET, các node có thể định

tuyến với các node khác thông qua các node trung gian Để mô hình này hoạt động

hoàn hảo cần có giao thức định tuyến phù hợp

Mobile multi-hop: mô hình này tập trung vào các ứng dụng có tính chất thời gian

thực

- Theo chức năng

+ Mạng MANET đẳng cấp(Flat): Trong kiến trúc này các node có vai trò ngang hàng

với nhau, các node đóng vai trò như router định tuyến dữ liệu gói trên mạng Nó thích

hợp cho những tô pô có các node di chuyển nhiều

+ Mạng MANET phân cấp: đây là mô hình sử dụng phổ biến nhất Trong mô hình này

thì mạng chia thành các domain, trong mỗi domain bao gồm một hoặc nhiều cluster,

mỗi cluster chia thành nhiều node Có hai loại node là master node và nomal node

+ Master node: là node quản trị một router có nhiệm vụ chuyển dữ liệu của các node

trong cluster đến các node trong cluster khác và ngược lại Nói cách khác nó có nhiệm

vụ như một gateway

+ Nomal node: là các node nằm trong cùng một cluster Nó có thể kết nối với các node

trong cluster hoặc kết nối với các cluster khác

Hình 2.4: Mô hình mạng phân cấp

Kiến trúc mạng phân cấp thích hợp cho các mạng có tính chuyển động thấp

Mạng MANET kết hợp:

Mạng = Zones, zone = nodes

Mỗi node bao gồm hai mức tô pô: node ID và zone ID Trong một zone có thể áp

dụng kiến trúc đẳng cấp hoặc kiến trúc phân cấp

Các giao thức định tuyến mạng MANET

2.1.3 Ứng dụng

- Lĩnh vực quân sự: trang thiết bị quân sự hiện nay thường chứa một số loại

thiết bị máy tính Mạng lưới MANET sẽ cho phép quân đội để tận dụng lợi thế của

công nghệ mạng phổ biến để duy trì một thông tin mạng lưới giữa những người lính,

xe cộ và thông tin từ bộ chỉ huy… Các kỹ thuật cơ bản của mạng Adhoc đến từ lĩnh

vực này

- Lĩnh vực thương mại: MANET có thể sử dụng trong cứu hộ nhằm nỗ lực cứu

trợ những thiên tai

- Nội bộ: mạng MANET có thể chủ động liên kết một mạng lưới đa phương

tiện tức thời và tạm thời nhờ sử dụng máy tính xách tay để truyền bá và chia sẻ thông

tin giữa các đại biểu tham dự một hội nghị, lớp học

2.1.4 Tầng MAC và các giao thức

- Cấu trúc địa chỉ MAC

Hình 2.5: Cấu trúc địa chỉ MAC

2.2 Tìm hiểu giao thức S-MAC

2.2.1 Khái niệm

S-MAC là một giao thức tầng MAC S-MAC là giao thức điều khiển truy nhập

trung gian được thiết kế cho các mạng cảm biến không dây

- Đặc điểm:

S-MAC sử dụng một số kỹ thuật mới để giảm tiêu thụ năng lượng và hỗ trợ tự

cấu hình S-MAC kế thừa sự linh hoạt, tính khả biến trên nền cạnh tranh trong khi cải

tiến tính hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng đa bước nhảy Nó giảm tiêu thụ

năng lượng từ tất cả các nguồn: nghe khi rỗi, xung đột, nghe thừa và xử lý thông tin

điều khiển S-MAC áp dụng tin nhắn qua để giảm độ trễ tranh cho các ứng dụng đòi

hỏi trong mạng xử lý dữ liệu S-MAC đạt khả năng mở rộng tốt và tránh va chạm

Hình 2.6: Cơ chế làm việc của S-MAC

Các mũi tên hướng lên trên thể hiện việc gửi thông điệp, mũi tên hướng xuống

thể hiện việc nhận thông điệp Dòng chảy thông tin đại diện cho việc gửi và nhận

chuỗi các thông điệp trong khi các nút ở trạng thái giám sát

2.2.2 Thuật toán

- Thứ nhất, để phản ánh sự thay đổi của tải lưu lượng khác nhau, trong khi gửi các gói

dữ liệu đồng bộ, nút tính toán tỷ lệ sử dụng nút U trong giai đoạn cuối cùng và trung

bình trậm trễ ngủ D, và theo các thông số trạng thái mạng, điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ

của mình và gửi bản kế hoạch trong các hình thức phát sóng của các nút hàng xóm,

các thuật toán cụ thể như sau:

Bước 1: Tính toán các tỷ lệ sử dụng nút U trong chu kỳ cuối

Trong đó, Trx đại diện cho tổng thời gian tiếp nhận, Ttx đại diện cho tổng thời

gian gửi, Tidle đại diện cho tổng thời gian rảnh rỗi

Bước 2: Tính toán sự chậm trễ ngủ trung bình của chu kỳ cuối cùng.

´

D= packet count D

Trong biểu thức, D là sự tích luỹ cho thời gian ngủ chậm trế, đếm gói đại diện

cho số lượng tích luỹ của các gói tin Điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ, sử dụng mã để mô

tả

If U > Uhigh and chu kỳ nhiệm vụ > DCmax

then chu kỳ nhiệm vụ = chu kỳ nhiệm vụ + n%

else if U > Ulow and chu kỳ nhiệm vụ < DCmin and D´ < Dmax

then chu kỳ nhiệm vụ = chu kỳ nhiệm vụ - n%

Trong các biểu thức, Uhigh và Umin đại diện cho phần trên và phần dưới của các

nút Dmax đại diện cho sự chậm trễ tối đa có thể chịu được ngủ DCmax và DCmin đại

diện cho giới hạn trên và giới hạn dưới của chu kỳ nhiệm vụ, n đại diện cho các biên

độ điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ

Bước 3: D = 0, packet count = 0

Nếu một nút sử dụng U là rất lớn, trong cơ chế lập kế hoạch hiện nay, tải trọng

nút là nặng Do vậy, tăng chu kỳ nhiệm vụ thích ứng như một tải Trong thuật toán

này Uhigh đại diện cho tải nặng Khi tỷ lệ sử dụng nút U > Uhigh chu kỳ nhiệm vụ cần

phải tăng n% Giá trị n thích hợp không chỉ có thể làm cho nút thích nghi với sự thay

đổi của dòng chảy càng sớm càng tốt, nhưng cũng có thể ngăn chặn sự thay đổi quá

mức của chu kỳ nhiệm vụ

Bước 4: Kết thúc.

- Thứ hai, các mô tả sau là về các thuật toán, trong đó cập nhật ngủ trễ D sau khi mỗi

lần gửi các gói dữ liệu, nội dung cụ thể như sau:

Bước 1: chọn ra các giá trị của nhân vật chậm trễ trong gói dữ liệu và gán cho biến d.

Chậm trễ ngủ d là thời gian mà lớp MAC nhận được gói tin từ tầng trên để gửi thành

S-MAC giảm bớt thời gian thức bằng cách để cho nút cảm biến định kỳ chuyển

sang trạng thái ngủ Mỗi nút cảm biến chuyển vào trạng thái ngủ trong một thời gian

sau đó tỉnh dậy và nghe xem có nút nào muốn nói chuyện với nó

Hình 2.7: Lược đồ S-MAC

Lược đồ trên yêu cầu có định kỳ sự đồng bộ giữa các nút cảm biến trong vùng tránh

sai lệch thời gian Tất cả các nút cảm biến đều tự do lập lịch chu kỳ thức – ngủ

Các nút cảm biến trao đổi với nhau thông tin lịch làm việc của chúng bằng cách

phát quảng bá cho tất cả các nút lân cận hiện thời Nếu có nhiều nút trong vùng lân

cận muốn nói chuyện với một nút, thì chúng cần cạnh tranh chiếm đường truyền khi

nút nhận ở trạng thái thức, sử dụng gói tin RTS(Request to send) và CTS(Clear to

send) Nút nào gửi gói tin RTS ra trước sẽ giàng quyền truy nhập và nút nhận sẽ trả lời

với một gói CTS

Các chu kỳ nhiệm vụ là tỷ số khoảng thời gian để lắng nghe chiều dài khung

Mỗi nút duy trì một bảng lưu trữ tất cả thời gian biểu của các nút lân cận mà nó biết

Việc cập nhật thời gian biểu được thực hiện bằng trao đổi gói tin đồng bộ SYNC Gói

tin SYNC rất ngắn, gồm địa chỉ của nút gửi và thời điểm chuyển sang trạng thái ngủ

tiếp theo của nó

Để một nút nhận được cả những gói đồng bộ lẫn những gói dữ liệu, phải chia

khoảng thức(active time) của nó thành 2 phần: phần đầu để nhận gói tin đồng bộ, phần

2 để nhận gói RTS Mỗi phần được chia tiếp thành nhiều khe thời gian cho những nút

gửi để cảm nhận sóng mang Mỗi nút định kỳ quảng bá những gói tin đồng bộ tới các

lân cận của nó kể cả khi nó không có nút đồng bộ theo Điều này cho phép nút mới gia

nhập nhóm lân cận đã hình thành trước đó

Hình 2.8: Quan hệ định thời giữa nút nhận và nút gửi

- Tránh xung đột và nghe thừa

Tránh xung đột là một nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC S-MAC sử dụng

một lược đồ tránh xung đột trên nền cạnh tranh Khi một nút phát đi một gói tin, gói

tin đó sẽ được thu bởi tất cả các nút lân cận của nó, mặc dù chỉ một số chúng là nút

nhận, đó là nghe thừa

+ Tránh xung đột

Khi nhiều nút có nhu cầu gửi số liệu vào cùng một thời điểm, chúng cần cạnh

tranh để quyết định một nút được quyền gửi Có một trường độ dài phát trong mỗi gói

tin được truyền đi để chỉ rằng việc truyền này được duy trì trong thời gian bao lâu

Nút ghi giá trị này trong một biến gọi là vectơ thời gian chiếm giữ mạng

NAV(Network Allocation Vector) và đặt một đồng hồ tính giờ cho nó Vào mọi thời

điểm khi NAV hoạt động, nút cảm biến tuần tự giảm giá trị NAV cho đến khi về giá

trị 0 Khi một nút có dữ liệu gửi, đầu tiên sẽ kiểm tra đồng hồ NAV, nếu giá trị khác 0

thì xác định rằng đường truyền bận và không phát dữ liệu kỹ thuật này được gọi là

cảm nhận sóng mang ảo(Virtual Carrier Sense)

Cảm nhận sóng mang vật lý được thực hiện tại lớp vật lý bằng cách thực hiện

nghe kênh để truyền đường truyền chỉ được xác định là rỗi nếu cả cảm nhận sóng

mang vật lý lẫn cảm nhận song mang ảo đều xác định đường truyền rỗi Tất cả các nút

gửi thực hiện cảm nhận sóng mang trước khi bắt đầu phát dữ liệu nếu một nút thất bại

trong việc thăm dò đường truyền, thì nó chuyển sang trạng thái ngủ và thức giấc tại

thời điểm nút nhận ở trạng thái nghe và đường truyền rỗi Những gói tin Unicast sẽ

theo tuần tự RTS/CTS/Data/ACK giữa nút gửi và nút nhận

+ Tránh nghe thừa

S-MAC tránh nghe thừa bằng cách cho những nút có khả năng gây nhiễu

không tham gia quá trình truyền phát dữ liệu, chuyển sang trạng thái ngủ sau khi nhận

được gói tin RTS hoặc CTS Mỗi nút duy trì NAV chỉ để báo động trong khu lân cận

của nó Khi một nút nhận gói, cập nhật NAV của nó tại trường duration trong định

dạng gói tin Một giá trị NAV lớn hơn 0 chỉ báo rằng có một nút đang gửi số liệu

trong khu vực lân cận nó Giá trị NAV giảm dần theo thời gian Một nút cần phải ở

trạng thái ngủ để tránh nghe thừa khi giá trị NAV khác 0

- Xử lý thông điệp

Truyền một dữ liệu dài trong một gói tin thì chi phí cho việc truyền lại khi chỉ

có một vài bit lỗi trong lần truyền đầu tiên là rất cao S-MAC chia nhỏ thông điệp dài

bằng cách chia nhỏ thông điệp dài thành nhiều phân đoạn nhỏ và truyền chúng trong

một cụm nhưng chỉ sử dụng một gói tin RTS và một gói tin CTS

Mỗi lần một đoạn dữ liệu được truyền, nơi gửi đợi một xác nhận ACK từ nơi

nhận nếu nó không nhận được ACK, nó sẽ mở rộng thời gian chiếm dụng đường

truyền cho đủ một phân đoạn nữa, và truyền lại ngay phân đoạn dữ liệu hiện thời

Nếu một nút trong vùng lân cận nhận được một gói RTS hoặc CTS, nó sẽ

chuyển sang trạng thái ngủ trong khoảng thời gian truyền tất cả các phân đoạn Nếu

nút nhận không gửi ACK thường xuyên, thì nút mới có thể gây nhiễu vì cảm nhận

song mang trong việc thăm dò đường truyền sẽ thông báo đường truyền rỗi Nếu nó

khởi động tiến trình phát, thì quá trình truyền hiện thời sẽ bị hỏng tại nút nhận

Mỗi phân đoạn dữ liệu và gói tin ACK cũng có trường thời gian Bằng cách

này, nếu một nút tỉnh dậy hoặc một nút mới gia nhập trong quá trình truyền, thì nó

chuyển sang trạng thái ngủ bất kể nó là lân cận của nút gửi hay nút nhận

2.3 Tìm hiểu giao thức T-MAC

+ Giao tiếp với RTS, CTS và ACK

Một chương trình đặc biệt để quyết định khi nào nên kết thúc một giai đoạn

hoạt động không có sự kiện kích hoạt đã xảy ra cho TA(timeout interval – khoảng thời

gian chờ)

+ Bắn một bộ đếm thời gian định kỳ

+ Tiếp nhận bất kỳ dữ liệu nào

+ Kết thúc truyền hoặc ACK Kết thúc về truyền dẫn của hàng xóm đã kết thúc

- Các tính năng khác của T-MAC

+ Khoảng thời gian cạnh tranh cố định

+ Truyền thông báo xếp hàng đợi trong vụ nổ

+ Tải chủ yếu là cao và không thay đổi RTS bắt đầu bằng cách chờ đợi một khoảng

thời gian ngẫu nhiên trong thời gian cố định cạnh tranh

- Đặc điểm

+ T-MAC là một sự cải tiến trên S-MAC.

+ Node đi vào chế độ ngủ sau khoảng thời gian chờ nhàn rỗi

+ Tất cả lưu lượng truy cập là bùng phát tại thời điểm bắt đầu của một khoảng thời

gian lắng nghe

- Cách xác định thời gian rỗi:

TA > C + R + T

C: chiều dài khoảng thời gian cạnh tranh

R: thời gian truyền gói tin của RTS

T: thời gian quay vòng giữa RTS và CTS

Một giai đoạn hoạt động sẽ kết thúc khi không có sự kiện kích hoạt xảy ra

trong khoảng thời gian chờ

Một sự kiện kích hoạt là: Vòng một khung giờ định kỳ Việc tiếp nhận bất kỳ

dữ liệu trên đài phát thanh Các cảm biến của truyền thông trên đài phát thanh, ví dụ

trong một vụ va chạm Cuối cùng của việc truyền tải gói dữ liệu riêng của một nút

hoặc sự xác nhận Những kiến thức thông qua việc nghe lỏm được từ gói tin RTS và

CTS, rằng việc trao đổi dữ liệu của nút hàng xóm đã kết thúc Một nút sẽ ngủ nếu nó

không phải trong khoảng thời gian hoạt động Thời gian chờ xác định số lượng tối

thiểu của lắng nghe nhàn rỗi ở mỗi khung

Hoạt động RTS và chọn thời gian chờ: Mỗi node truyền thông điệp trong hàng

đợi trong một vụ nổ vào lúc bắt đầu của khung Trong giai đoạn bùng nổ này, môi

trường được bão hoà: thông điệp được truyền đi với tốc độ tối đa

Khoảng cạnh tranh cố định (Fixed contention interval): Trong giao thức T-MAC, mỗi

nút truyền các thông điệp trong hàng đợi

- Phân tích độ trễ

Việc chậm trễ cảm nhận sóng mang là ngẫu nhiên tại mỗi chặng, và biểu thị giá

trị của nó tại chặng n bằng tcs,n Giá trị trung bình của nó được xác định bởi của sổ

tranh chấp, và được ký hiệu bởi tcs Việc chậm trễ truyền dẫn được cố định nếu chiều

dài gói tin là cố định, được biểu thị bằng ttx

- Giao thức MAC không ngủ

Khi một nút nhận được gói tin, nó ngay lập tức bắt đầu cảm nhận sóng mang và

chuyển tiếp nó tới bước nhảy tiếp theo

Bước 1: thời gian trễ

Với S-MAC, sự ngủ trễ ở mỗi chặng biểu hiện bằng ts,n cho chặng n Một frame

là một chu kỳ hoàn chỉnh của thức – ngủ, chiều dài của nó được ký hiệu là Tf Để

phản ánh một chu kỳ nhiệm vụ rất thấp <10%, giả định rằng có một giá trị lớn, lớn

hơn nhiều so với ttx Độ trễ ở chặng n là: