BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Huế 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM VĂN TRUNG NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60.48.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VÕ THANH TU Huế 2009 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đồng tác giả cho phép sử dụng chưa cơng bố cơng trình khác Học viên Phạm Văn Trung LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Võ Thanh Tú, người tận tình dẫn dắt tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin trường Đại học Khoa học Huế, thầy giáo Viện Công nghệ Thông tin trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cán phòng Quản lý Khoa học - Đối ngoại, người trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn trường Đại học Phạm Văn Đồng Quảng Ngãi, Khoa Công nghệ thông tin tạo điều kiện để học hồn thành tốt khố học Xin chân thành cảm ơn anh chị lớp cao học Khoa học máy tính khố 2007 bạn đồng nghiệp ln bên cạnh, động viên, khuyến khích tơi suốt thời gian học tập thực đề tài Xin chân thành cảm ơn! Học viên Phạm Văn Trung MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, LƯU ĐÔ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ MỤC LỤC .11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 13 1.1 Giới thiệu mạng không dây 13 1.2 Phân loại mạng không dây: 14 1.2.1 Theo quy mô triển khai mạng: 14 1.2.2 Theo quan hệ di động định tuyến nút mạng: 16 1.3 Một số mơ hình mạng khơng dây 17 1.3.1 Mơ hình mạng độc lập (Independent Basic Service sets – IBSS hay gọi mạng Ad hoc): 18 1.3.2 Mô hình mạng sở (Basic Service sets – BSS): 18 1.3.3 Mơ hình mạng mở rộng (Extended Service sets – ESS) .19 1.4 Yêu cầu thiết bị sử dụng mạng không dây: 19 1.4.1 Điểm truy cập: (AP – Access Point): 19 1.4.2 Thiết bị truy cập không dây: 22 1.4.3 Yêu cầu thiết bị sử dụng mạng MANET: 22 1.5 Những đặc điểm ứng dụng mạng không dây: 23 1.5.1 Những đặc điểm mạng khơng dây: .23 1.5.2 Những ứng dụng mạng không dây: 23 1.5.2.1 Công nghệ WiMax: 23 1.5.2.2 Công nghệ Wireless USB (WUSB): .24 1.5.2.3 Công nghệ Ultra WideBand (UWB): 25 1.6 Kết luận chương 1: 27 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET .30 2.1 Giới thiệu định tuyến hệ thống mạng máy tính: 30 2.2 Một số thuật tốn định tuyến mạng: 30 2.2.1 Thuật toán Vectơ khoảng cách (Distance Vector): 30 2.2.2 Thuật toán trạng thái kết nối (Link State): 32 2.3 Các giao thức định tuyến mạng MANET 33 2.3.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing Protocol): 35 2.3.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu (On-Demand Routing Protocol): 36 2.3.3 Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol): 37 2.4 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu mạng MANET: 37 2.4.1 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing): 38 2.4.1.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery): 39 2.4.1.2 Cơ chế trì thơng tin định tuyến (Route Maintanance): 45 2.4.2 Giao thức AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector): 46 2.4.2.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery): 47 2.4.2.2 Cơ chế trì thơng tin định tuyến: .50 2.5 So sánh đánh giá hiệu làm việc giao thức: 50 2.6 Kết luận chương 2: 51 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐIỀU KHIỂN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET 53 3.1 Giới thiệu môi trường mô NS: 53 3.2 Mô mạng không dây môi trường NS: .56 3.2.1 Tạo MobileNode NS 56 3.2.2 Tạo hoạt động cho Node: 57 3.2.3 Các thành phần cấu thành mạng MobileNode: 58 3.2.4 Viết mã tcl để thực thi mô mạng wireless 59 3.3 Thiết kế mơ hình mạng để mô cho giao thức định tuyến theo yêu cầu mạng MANET: 61 3.4 Phân tích kết mơ phỏng: .62 3.4.1 Trường hợp số nguồn phát thay đổi, tôpô cố định: .63 3.4.2 Kết mô trường hợp số nguồn phát cố định, tôpô thay đổi theo thời điểm: 65 3.5 Kết luận chương 3: 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AODV AP BSS DSR ESS IBSS IEEE LAN MANET RREP RREQ RRER UWB WiMAX WLAN WPAN WUSB WWAN Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing Access Point Basic Service Set Dynamic Source Routing Extended Service sets Independent Basic Service sets Institute of Electrical and Electronics Engineers Local Area Network Mobile Ad Hoc Network Route Reply Route Request Route Error Ultra-WideBand Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Wireless Persional Area Network Wireless Universal Serial Bus Wireless Wide Area Network DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, LƯU ĐÔ TRANG Bảng 2.1 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4042 Bảng 2.2 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4043 Bảng 2.3 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4043 Bảng 2.4 Thông tin lưu trữ Route Cache thời điểm .4044 Lưu đồ 2.1 Cơ chế xử lý khám phá đường node DSR .40 Lưu đồ 2.2 Cơ chế xử lý khám phá đường node AODV 48 có đệm đơn cho packet Khi gửi thêm packet đến đích mà gửi ARP packet ban đầu đệm sẽ bị hủy (drop) Khi biết địa hardware packet, packet thêm vào hàng giao tiếp (interface queue) hop - Interface Queue: Lớp PriQueue thực thi hàng đợi ưu tiên đưa quyền ưu tiên để định tuyến packet, thêm chúng vào đầu hàng đợi Nó hỗ trợ q trình thực thi tất packet hàng đợi gỡ bỏ packet với địa đích đến - Mac Layer IEEE 802.11: phân phối chức tọa độ DCF (distributed coordination function, giao thức MAC thực thi CMU Nó sử dụng khn dạng RTS/CTS/DATA/ACK cho tất packet unicast đơn giản gửi data cho tất packet broadcast Quá trình thực thi sử dụng phương thức cảm nhận sóng mang dạng vật lý lẫn dạng ảo - Tap Agents: Các agents mà phân lớp tự đăng ký với đối tượng MAC bằng cách sử dụng phương thức installTap() Nếu giao thức MAC cụ thể cho phép, Tap sẽ đưa paket nhận lớp MAC cách lộn xộn, trước trình lọc địa thực - Network Interfaces: Lớp giao tiếp mạng (Network Interphase) đáp ứng giao tiếp phần cứng (hardware interface) sử dụng mobilenode để truy suất đến kênh truyền thông Giao diện môi trường truyền thong wireless chia sẽ thực thi lớp Phy/WirelessPhy Giao diện tùy thuộc vào trình collision mơ hình truyền bá radio nhận packet truyền qua giao diện node khác đến kênh truyền - Mơ hình truyền bá Radio: Sử dụng cơng thức tính suy giảm khoảng cách gần 1/r2 khỏang cách xa 1/r4 - Antenna: sử dụng với mục đích chung mobilenodes 3.2.4 Các bước viết mã tcl để thực thi mô mạng wireless: [8] - Bước 1: Tạo thể mô - Bước 2: Tạo file trace để lưu vết mô - Bước 3: Tạo đối tượng topo - Bước 4: Thiết lập không gian di chuyển cho node - Bước 5: Tạo đối tượng GOD (Genaral Operations Director), đối tượng sử dụng để lưu trữ tồn thơng tin trạng thái môi trường, mạng, node… GOD gọi sử dụng lớp MAC node - Bước 6: Cấu hình node - Bước 7: Tạo di chuyển cho node (đoạn mã sau mô tả di chuyển node không ngẫu nhiên) - Bước 8: Thiết lập vị trí cho node (trong trường hợp node di chuyển không ngẫu nhiên) - Bước 9: Thiết lập thời điểm 50s node di chuyển vị trí tương ứng tọa độ (25, 20) với tốc độ di chuyển 15m/s - Bước 10: Thiết lập luồng traffic node (đoạn mã sau thiết lập luồng cho node node 1) - Bước 11: Thiết lập thời gian dừng mô kết thúc 3.3 Bước 12: Bắt đầu thực thi mô Thiết kế mô hình mạng để mơ cho giao thức định tuyến theo yêu cầu mạng MANET: Việc thiết kế thử nghiệm cho giao thức dựa phần mềm mơ NS-2 Mơ hình thiết kế cho 50 node mạng di chuyển ngẫu nhiên khu vực bán kính 3800m Các gói tin phát dựa vào dịch vụ CBR (constant bit race), với kích thước gói tin 512 byte/1 gói tin, chu kỳ gửi tin gói/1 giây Hàng đợi kiểu FIFO, gói tin định tuyến sẽ có độ ưu tiên cao gói tin liệu Hình 3.5 Mơ hình mạng MANET gồm 50 node Để so sánh hiệu thực giao thức, dựa kết mô sẽ đánh giá khả thích nghi hai giao thức AODV DSR mơ hình mạng MANET gồm 50 node với trường hợp: - Tất cả node hệ thống đứng yên: trường hợp này, node hệ thống mạng xác định tọa độ cho trước giữ nguyên vị trí suốt q trình thực mơ - Tất cả node hệ thống mạng di động: trường hợp này, node hệ thống mạng di chuyển đến vị trí ngẫu nhiên xác định trước, với tốc độ từ 0~15m/s 3.4 Phân tích kết quả mơ phỏng: Để đánh giá khả hoạt động giao thức kiện mạng khác nhau, sử dụng phần mềm Tracegraph 2.04 [12] để phân tích kết mơ dựa tham số: - Tỉ lệ phần trăm gói tin phát thành cơng - Trễ trung bình hệ thống - Khả đáp ứng trường hợp tôpô mạng thay đổi 3.4.1 Trường hợp số nguồn phát thay đổi, tôpô cố định: Sau thực mô với 50 node mạng cố định (không di chuyển), với số lượng nguồn phát ban đầu 10 nguồn, sau sẽ thay đổi thời điểm 10s, 20s tương ứng với số lượng nguồn phát 20 30 nguồn, thời gian thực mô 40s Kết mô thể sau: - Trường hợp số lượng nguồn phát cố định: suốt thời gian mô thực với 10, 15, 20, 25 30 nguồn phát thu biểu đồ sau: Hình 3.6a So sánh tỉ lệ phát gói tin thành cơng AODV DSR Hình 3.6a cho thấy mọi trường hợp DSR cho kết phát gói tin thành cơng cao AODV Bên cạnh tỉ lệ phát gói tin thành cơng hai giao thức giảm số lượng nguồn phát tăng dần DSR cho kết tương đối ổn định khoảng 99% trường hợp số nguồn phát nhỏ 20, trường hợp số nguồn phát lớn 20 tỉ lệ giảm dần Trong AODV cho kết khoảng 99% trường hợp số nguồn phát nhỏ 15, sau tỉ lệ giảm dần số nguồn phát tăng lên Kết cho thấy khả thích ứng với môi trường mạng cố định DSR tốt AODV - Trường hợp số lượng nguồn phát thay đổi: ban đầu 10 nguồn thực 10s, sau tăng lên 15, 20, 25, 30 nguồn Hình 3.6b Kết phân phát gói tin thành cơng AODV DSR Hình 3.6b cho thấy DSR cho kết tương đối cao ổn định (khoảng 98%) trường hợp số nguồn phát nhỏ 20 Tuy nhiên, kết giảm trường hợp số lượng nguồn phát tăng Bên cạnh AODV cho kết giảm khoảng từ 90% đến 60% trường hợp số nguồn phát nhỏ 20 Tuy nhiên, tỉ lệ tăng số lượng nguồn phát lớn 20 Kết cho thấy trường hợp số nguồn phát tăng sẽ dẫn đến nhu cầu tìm đường đến đích nhiều khả sử dụng lại đường khám phá AODV tốt DSR Hình 3.6c Trễ đầu cuối trung bình tồn hệ thống Hình 3.6.c thể độ trễ trung bình tồn hệ thống mạng Trong trường hợp số lượng nguồn phát cố định, độ trễ trung bình tồn hệ thống tỉ lệ thuận với số lượng node, AODV có độ trễ trung bình tồn hệ thống lớn DSR Tuy nhiên, trường hợp số lượng nguồn thay đổi khoảng từ 10 đến 20 nguồn, AODV có độ trễ tăng dần từ 0.15 đến 0.2s nguồn, DSR có độ trễ giảm dần từ 0.05 đến 0.01s Trong trường hợp số lượng nguồn phát thay đổi khoảng 20 đến 30 nguồn, AODV có độ trễ giảm dần từ 0.2 đên 0.13s, DSR có độ trễ tăng từ 0.01 đến 0.06s Kết cho thấy trường hợp mạng có nhiều thay đổi số lượng nguồn phát khả khám phá đường AODV tốt DSR 3.4.2 Kết quả mô trường hợp số nguồn phát cố định, tôpô thay đổi theo thời điểm: Sau thực mô với 50 node mạng di chuyển đến vị trí ngẫu nhiên thiết lập trước, số lượng nguồn phát cố định cho lần mô là: 10, 20 30 Thời gian thực mô 50s Kết mô thể sau: - Tỉ lệ phân phát gói tin thành công giao thức AODV DSR Hình 3.7a Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng trường hợp 10 nguồn Hình 3.7a cho thấy khoảng thời gian từ 10 đến 20s, tỉ lệ phát thành công hai giao thức giảm khoảng từ 95% đến 90%, sau tỉ lệ trì ổn định khoảng 90 % khoảng thời gian lại Kết chứng tỏ thời gian khoảng từ đến 20s hai giao thức thực việc khám phá đường Đến thời điểm 20s trở Router cache node có sẵn đường khám phá, khoảng thời gian việc tìm đường hai giao thức sẽ nhanh chóng Như vậy, kết cho thấy hai giao thức hoạt động tốt môi trường mạng di động với số lượng nguồn phát Hình 3.7b Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng trường hợp 20 nguồn Hình 3.7b cho thấy AODV cho kết phân phát gói tin ổn định khoảng 81% đến 86% mọi thời điểm Tuy nhiên, khoảng từ 10 đến 20s, DSR cho kết không ổn định khoảng 68% đến 82%, sau trì kết thành cơng mức 82% cho thời điểm Kết chứng tỏ số lượng nguồn tăng lên AODV cho kết ổn định DSR Hình 3.7c Tỉ lệ phân phát gói tin thành cơng trường hợp 30 nguồn Hình 3.7c cho thấy hai giao thức cho kết phân phát gói tin giảm sút giao động khoảng từ 48% đến 70% Tuy nhiên AODV cho kết ổn định với mức từ 55% đến 70% Bên cạnh DSR cho kết giao động từ 48% đến 70% Như vậy, theo kết phân tích phần 3.1.1 trường hợp mạng khơng di chuyển kết tìm đường DSR tốt Tuy nhiên trường hợp mạng có nhiều biến động nguyên nhân dẫn đến tình trạng đường hiệu lực router cache node tăng đột biến Theo sở lý thuyết AODV có chế để loại bỏ đường hiệu lực, khả sử dụng đường khám phá đường AODV tốt DSR dẫn đến tỉ lệ phân phát gói tin thành công AODV cao - Thời gian trễ trung bình tồn hệ thống: Hình 3.8 Thời gian trễ trung bình trường hợp 10, 20 30 nguồn Hình 3.8 thể trễ trung bình tồn hệ thống hai giao thức AODV DSR Trong trường hợp số lượng nguồn phát nhỏ 10, 20 nguồn, độ trễ DSR tốt AODV Tuy nhiên trường hợp 30 nguồn phát, độ trễ AODV tốt Như vậy, chứng tỏ khả tìm đường sử dụng lại đường khám phá AODV tốt DSR trường hợp node mạng có nhiều thay đổi vị trí 3.5 Kết luận chương 3: Việc triển khai thí nghiệm hệ thống mạng giới thực cơng việc phức tạp, đòi hỏi tốn nhiều thời gian chi phí cao Bên cạnh đó, độ rủi ro khơng thành cơng cao Để khắc phục tình trạng cần phải thực mô dựa phần mềm ứng dụng mô mạng Trong chương này, chúng tơi trình bày bước thực để mô mạng NS-2, tập lệnh để thiết lập mô mạng không dây NS-2 Từ đó, chúng tơi xây dựng mơ hình mạng Ad Hoc để thực mô cho hai giao thức AODV DSR có đánh giá hiệu sau: Nhìn chung DSR bị ảnh hưởng trường hợp số lượng nguồn phát thay đổi, cho thấy DSR thu thập nhiều đường đến đích AODV, chứng tỏ khả tìm đường DSR tốt AODV Tuy nhiên nút di chuyển, AODV hoạt động với hiệu suất giảm rõ rệt với tỉ lệ phát tin thành công cao hơn, ổn định thời gian trễ nhỏ DSR, chứng tỏ số lượng đường khám phá DSR bị cũ không hiệu lực DSR khơng có chế phát để loại bỏ đường khơng hiệu lực Router cache Như giao thức DSR áp dụng trường hợp mạng với mức độ di chuyển thấp, AODV áp dụng trường hợp mạng với mức độ di chuyển cao KẾT LUẬN Mạng MANET thách thức nhà nghiên cứu việc tìm giao thức mạng, chuẩn mạng với mục đích cuối đạt hệ thống mạng ổn định hiệu suất khai thác cao dịch vụ truyền thông đa phương tiện Qua thời gian tháng nghiên cứu số giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu mạng MANET Luận văn đạt số kết quả: Kết quả đạt được: - Trình bày cách tổng quan hệ thống mạng không dây mạng MANET; yêu cầu thiết bị để triển khai hệ thống mạng không dây; phân tích số cơng nghệ ứng dụng mạng khơng dây; tổng quan ứng dụng mạng MANET sống - Nghiên cứu hoạt động giao thức định tuyến mạng MANET Trên sở chúng tơi phân tích chế hoạt động giao thức định tuyến theo yêu cầu thông qua hai giao thức AODV DSR Đánh giá hiệu suất làm việc hai giao thức để có sở đề xuất việc áp dụng hợp lý giao thức mơ hình mạng cụ thể - Thiết kế số mơ hình mạng MANET phần mềm NS-2 Cài đặt mô giao thức AODV DSR để minh họa q trình hoạt động Từ đó, đánh giá hiệu kịch khác theo tỉ lệ gói mất, độ trễ trung bình khả đáp ứng topo mạng thay đổi Hướng phát triển: Nghiên cứu số giao thức để áp dụng hai chế định tuyến theo yêu cầu định tuyến bảng ghi (giao thức lai) Nghiên cứu cải tiến độ đo hiệu để nâng cao chất lượng truyền thơng mơ hình mạng khơng dây TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh [1] Arun Kumar B R, Lokanatha C Reddy, Prakash S Hiremath (2008), Performance Comparison of Wireless Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols, International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.8 No.6 [2] Geetha Jayakumar, Gopinath Ganapathy (2007), Performance Comparison of Mobile Ad Hoc Network Routing Protocol, International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.7 No.11 [3] Georgy Sklyarenko (2005), AODV Routing Protocol, Seminar Technische Informatik, Takustr 9, D-14195 Berlin, Germany [4] McGraw-Hill/Osborne, Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide, Copyright © by Planet3 Wireless, Inc [5] Stefano Basagni, Marco Conti, Silvia Giordano, Ivan Stojmenovic, Mobile Ad Hoc Networking, Copyright © 2004 by the Institute of Electrical and Electronics Engineers [6] Subir Kumar Sarkar, T G Basavaraju, C Puttamadappa, Ad Hoc Mobile Wireless Network, Copyright © 2008 by Taylor & Francis Group, LLC [7] Tao Lin (2004), Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols: Methodologies and Applications, Blacksburg, Virginia [8] Yinfei Pan, Suny Binghamton (2006), Design Routing Protocol Performance Comparison in NS2: AODV comparing to DSR as Example [9] Yu-Chee Tseng, Wen-Hua Liao, Shih-Lin Wu, Mobile Ad Hoc Networks and Routing Protocols, Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, Edited by Ivan Stojmenovic´Copyright© 2002 John Wiley & Sons, Inc, Chapter 17 Địa Internet [10] http://vi.wikipedia.org [11] http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/index.html [12] http://www.geocities.com/tracegraph/ [13] The network simulator - ns-2 http:// www isi.edu/nsnam/ns/ [14] The ns Manual http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html ... State): 32 2.3 Các giao thức định tuyến mạng MANET 33 2.3.1 Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing Protocol): 35 2.3.2 Giao thức định tuyến điều khiển theo... Protocol): 36 2.3.3 Giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol): 37 2.4 Giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu mạng MANET: 37 2.4.1 Giao thức DSR (Dynamic Source Routing):... định tuyến Vì thế, số giao thức định tuyến truyền thống khơng phù hợp với mạng MANET mà thay bằng giao thức định tuyến theo yêu cầu, bảng ghi, kết hợp [8],[9] Nội dung luận văn sẽ sâu nghiên cứu