Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)

Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)Phương pháp tiếp cận theo thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng manet (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Cường

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN THEO THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM

TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2019

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Cường

PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN THEO THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu đề tài “Phương pháp tiếp cận theo thiết

kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng cho mạng MANET” tôi đã nhận được

sự giúp đỡ, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ

thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên để hoàn thành luận văn này

Với tình cảm chân thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban giám hiệu,

phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ thông tin, các thầy giáo, cô giáo thuộc Trường

Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tham

gia quản lý, giảng dạy và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn đặc biệt đến Thầy PGS TS Nguyễn Văn Tam -

người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ về kiến thức, tài liệu và phương pháp để

tôi hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động

viên, cổ vũ, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình thực hiện đề tài, song có

thể còn có những mặt hạn chế, thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng

góp và sự chỉ dẫn của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được

hoàn thiện

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2019

Học viên

Phạm Văn Cường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG 4

1.1 Giới thiệu về mạng MANET 4

1.1.1 Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET 4

1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET 6

1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET 7

1.2 Một số công nghệ của mạng MANET 11

1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11 11

1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth 12

1.2.3 Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b 14

1.2.4 Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b 16

1.2.6 Mạng ad-hoc Bluetooth 21

1.3 Định tuyến trong mạng MANET 23

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến trong mạng MANET 23

1.3.2 Giao thức định tuyến AODV 24

1.4 Kết luận Chương 1 33

CHƯƠNG 2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET 36

2.1 Tổng quan về thiết kế xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng 36

2.2 Phương pháp tối ưu hóa năng lượng trên cơ sở cường độ tín hiệu nhận 38

2.2.1 Cơ chế hội thoại năng lượng 39

2.2.2 Loại bỏ các liên kết một chiều 41

2.2.3 Khám phá đường tin cậy 44

2.3 Phương pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến 46

2.3.1 Khởi tạo mạng 47

2.3.2 Đăng ký mạng 52

2.3.3 Độ đo giá của đường 53

2.3.4 Quá trình hoạt động 55

2.4 Phương pháp định tuyến trên cơ sở nhận biết chất lượng liên kết 55

2.4.1 Thuật toán chuyển tiếp RREQ 56

2.4.2 Định tuyến đầu cuối có nhận biết chất lượng liên kết 59

2.5 Tổng kết chương 2 62

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ XUYÊN TẦNG NHẰM TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG MANET 64

3.1 Kiến trúc xuyên tầng trong giao thức CLPC 64

3.2 Điều khiển động năng lượng truyền 66

3.2 Tiến trình tìm đường 68

3.3 Tiến trình tìm lại đường 71

3.4 Phân tích và đánh giá hiệu năng của giao thức CLPC 73

3.4.1 Các độ đo hiệu năng 73

3.4.2 Cấu hình mô phỏng 73

3.4.3 Phân tích hiệu năng theo tốc độ di chuyển của nút mạng 74

3.4.4 Phân tích hiệu năng theo kích cỡ mạng 80

3.5 Kết luận Chương 3 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

MỞ ĐẦU

Mặc dù ý tưởng nghiên cứu về mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) có

từ những năm 70 của thế kỷ XX khi nghiên cứu về công nghệ Mobile Packet Radio, hiện nay vẫn còn rất nhiều vấn đề về mạng MANET dành được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu như: bài toán định tuyến, tối ưu hóa tầng vật lý và tầng MAC, khả năng tự cấu hình, các vấn đề về an ninh, các ứng dụng và dịch vụ mới cho mạng ad hoc cùng kiến trúc của chúng …

Một mạng MANET làm việc trên nguyên lý quảng bá theo từng chặng từ một nút nguồn tới các nút láng giềng nằm trong phạm vi truyền thông của nó Các vấn đề liên quan tới năng lượng truyền thông là những vấn đề phổ biến ảnh hưởng tới chức năng của mạng không dây phi cấu trúc Nó liên quan tới toàn bộ các tầng trong ngăn xếp giao thức, từ tầng vật lý tới tầng chuyển vận làm phát sinh ba vấn đề chính: độ trễ cao, mất gói tin và thông lượng thấp

Do các tính chất khác biệt của mạng MANET so với mạng truyền thống,

có nhiều thách thức cần được giải quyết từ các nhà nghiên cứu và triển khai công nghệ mạng này Để góp phần giải quyết những vấn đề là thách thức của mạng MANET, giao thức định tuyến sử dụng trong mạng này cần đảm bảo được yêu cầu tối thiếu hoá tải điều khiển và tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng những thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp

Khi một giao thức được thiết kế theo nguyên tắc phân tầng, hoạt động của giao thức này chỉ tập trung vào một tầng cụ thể nào đó mà không xem xét tới các tham số từ các tầng khác của trong mô hình ngăn xếp giao thức Vì vậy, hoạt động của các giao thức chỉ đạt mục tiêu tại tầng mà nó được thiết kế chứ không

tối ưu cho vấn đề điều khiển năng lượng truyền thông gây ảnh hưởng tới hiệu năng của toàn mạng

Đã có nhiều cải tiến nghiên cứu được đề xuất nhằm cải tiến các giao thức định tuyến cho mạng MANET Tuy nhiên, mỗi đề xuất cải tiến chỉ áp dụng cho một giao thức định tuyến hoặc một nhóm các giao thức có chung chiến lược định tuyến nhất định Các so sánh đánh giá về hiệu năng của các giao thức đã cải tiến

so với các giao thức ban đầu cũng chỉ tập trung vào một số mô hình toán học và kịch bản mô phỏng nhất định đối với mạng MANET Vì vậy, trong từng ngữ cảnh triển khai mạng MANET với các yêu cầu cụ thể, cần lựa chọn, cải tiến và

sử dụng giao thức định tuyến một cách phù hợp

Đề tài này tập trung nghiên cứu vào một số phương pháp và kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến dành cho mạng MANET trên cơ sở phương pháp tiếp cận xuyên tầng nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong truyền thông để nâng cao hiệu năng mạng Trong đó, tập trung vào phương pháp sử dụng thông tin về độ mạnh của tín hiệu thu được (RSS) từ tầng vật lý để xây dựng cơ chế điều khiển năng lượng truyền động tích hợp vào giao thức AODV tại tầng định tuyến nhằm tối ưu việc sử dụng năng lượng tại các nút mạng và tăng độ tin cậy truyền thông

Cấu trúc luận văn được trình bày như sau: Chương 1 trình bày tổng quan về mạng MANET và các ứng dụng của mạng này Các đề xuất tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET sẽ được trình bày trong Chương 2 Thiết kế, thuật toán, mô phỏng, phân tích và đánh giá của giao thức CLPC tiếp cận theo hướng xuyên tầng nhằm tối ưu hóa năng lượng trong mạng MANET được trình bày

trong Chương 3 Cuối cùng là phần kết luận đưa ra những tổng kết và hướng phát triển của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG MANET VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Giới thiệu về mạng MANET

1.1.1 Định nghĩa và đặc trưng của mạng MANET

Theo định nghĩa của Tổ chức IETF (Internet Engineering Task Force),

MANET ( Mobile Ad-hoc Network) còn được gọi là Mạng ad hoc không dây di động là một vùng tự trị (Autonomous System) của các bộ định tuyến được kết

nối với nhau bằng liên kết không dây Mỗi nút mạng vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối vừa đóng vai trò là bộ định tuyến Các nút có thể di chuyển một cách tự

do làm cho kiến trúc của mạng thay đổi liên tục

Hình 1.1 Minh họa mạng MANET

Như vậy có thể thấy mạng MANET bao gồm tập các nút không dây di động có thể trao đổi dữ liệu một cách linh động mà không cần sự hỗ trợ của trạm

cơ sở cố định hoặc mạng có dây Mỗi nút di động có một phạm vi truyền giới hạn, do đó chúng cần sự trợ giúp của các nút láng giềng để chuyển tiếp các gói

dữ liệu

Hình 1.1 là một ví dụ minh họa cho một mạng MANET Trong ví dụ này, các gói tin từ nút nguồn là một máy tính cần chuyển tới một nút đích là một điện thoại thông minh không nằm trong phạm vi truyền của nút nguồn Vì vậy, cần có

sự trợ giúp của các nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích Để thực hiện được công việc này, các nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp cho mạng MANET

Trong mạng MANET, liên kết giữa các nút mạng được đặc trưng bởi khoảng cách giữa các nút và tính sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng mặc dù là tạm thời Để triển khai thành công được mạng MANET, thiết kế và công nghệ mạng phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Đảm bảo kết nối khi nút mạng di chuyển: Khoảng cách giữa các nút hoặc trạng thái ở gần nhau của chúng định nghĩa ranh giới mạng Chỉ cần hai hoặc nhiều nút chuyển động trong một bán kính nhất định là tạo thành một mạng ad-hoc Chính sự chuyển động làm cho khoảng cách giữa các nút thay đổi gây

ra bản chất đặc biệt (ad-hoc) của mạng

 Tính sẵn sàng hợp tác: Các nút ở trong khoảng cách đủ gần phải sẵn sàng hợp tác để tạo thành mạng Nói cách khác, tự bản thân nút quyết định “online” hay “offline”

 Mạng ngang hàng tạm thời: Tại bất cứ một thời điểm nào, mạng ad-hoc được xác định bởi các nút đang “online” và ở trong một khoảng cách nhất định Một nút luôn có xu hướng tham gia hay biến mất khỏi mạng Do đó, mạng được coi là tạm thời Hơn nữa, do không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước, các nút trong mạng phải truyền thông theo kiểu ngang hàng (peer-to-peer)

1.1.2 Đặc điểm của mạng MANET

Do MANET là một mạng không dây hoạt động không cần sự hỗ trợ của hạ tầng mạng cơ sở trên cơ sở truyền thông đa chặng giữa các thiết bị di động vừa đóng vai trò là thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trò là bộ định tuyến nên mạng MANET còn có một số đặc điểm nổi bật sau [2]:

 Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên của các nút mạng nên cấu trúc của loại mạng này cũng thường xuyên thay đổi một cách ngẫu nhiên ở những thời điểm không xác định trước Trong khi thay đổi, cấu trúc của mạng MANET có thêm hoặc mất đi các kết nối hai chiều hoặc kết nối một chiều

 Chất lượng liên kết hạn chế: Các liên kết không dây thường có băng thông nhỏ hơn so với các liên kết có dây Ngoài ra, do ảnh hưởng của cơ chế đa truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu và các yếu tố khác, băng thông thực của các liên kết không dây thường thấp hơn nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo

lý thuyết của môi trường truyền không dây

 Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động trong mạng MANET

có thể là một bộ cảm biến, một điện thoại thông minh hoặc một máy tính xách tay Thông thường các thiết bị này có tài nguyên hạn chế so với các máy tính trong mạng có dây và không dây truyền thống về tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ và năng lượng nguồn pin nuôi sống hoạt động của nút

 Độ bảo mật thấp ở mức độ vật lý: Mạng không dây di động thường chịu tác động về mặt vật lý từ các nguồn gây nguy hại về an ninh nhiều hơn so với mạng có dây Về khía cạnh vật lý, các kỹ thuật gây mất an ninh và bảo mật trong mạng như nghe lén, giả mạo và tấn công từ chối dịch vụ thường dễ triển khai trong mạng MANET hơn là trong mạng có dây truyền thống

1.1.3 Ứng dụng của mạng MANET

Mạng MANET có rất nhiều ưu thế so với các mạng truyền thống về mặt ứng dụng trong những điều kiện khó có thể triển khai được một cơ sở hạ tầng mạng cố định hoặc việc triển khai là không khả thi do những lý do về mặt thực hành (địa hình,…) hoặc do những lý do về kinh tế (chi phí cáp trong một không gian lớn, chi phí thiết lập nhiều điểm truy cập)

 Ứng dụng trong quân đội

Những thành tựu mới của công nghệ thông tin thường được áp dụng trong quân sự đầu tiên, và mạng không dây kiểu không cấu trúc cũng không phải là một ngoại lệ Nhiều năm nay, quân đội đã sử dụng các mạng “packet radios” – một nguyên mẫu đầu tiên của mạng chuyển mạch gói không dây ngày nay

Mạng MANET thuần túy thường tuân theo một mô hình điểm ngẫu nhiên, các nút tự do di chuyển theo bất cứ hướng nào, với bất cứ tốc độ nào Trong mô hình mạng MANET cho quân đội, các nút phân nhóm theo bản chất tự nhiên của chúng khi chúng cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể Xu hướng di động ở đây

là theo nhóm (group mobility)

Do đó, nếu đưa ra được một mô hình chuyển động theo nhóm, các vấn đề của mạng MANET sẽ trở nên cụ thể hơn (ví dụ: định tuyến, sử dụng các ứng dụng thời gian thực như tiếng nói, video,…), cho phép phát triển một giải pháp tối ưu

 Các ứng dụng trong cuộc sống

Mạng MANET rất lý tưởng trong các trường hợp không có sẵn một cơ sở

hạ tầng thông tin, tuy nhiên lại cần phải thành lập một mạng tạm thời nhằm trao đổi thông tin và hợp tác cùng làm việc

Tại các vùng bị thiên tai, thảm họa, khó có thể có được một cơ sở hạ tầng

về thông tin vững chắc Hệ thống có trước đó rất có thể bị hỏng hoặc bị phá hủy hoàn toàn

Tại vùng có thảm họa, tất cả các phương tiện và hệ thống truyền thông đều

bị phá hủy hoàn toàn Mỗi chiếc xe của cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương,… đều được trang bị như một thiết bị đầu cuối di động – là một phần của mạng ad-hoc Mỗi nhân viên cũng mang theo một thiết bị đầu cuối di động Các thiết bị đầu cuối này đều liên kết với nhau, hình thành nên một mạng tạm thời nhằm trao đổi thông tin Cấu hình mạng thay đổi theo những thời điểm khác nhau Ngoài ra, các thiết bị đầu cuối di động không chỉ cung cấp chức năng gửi và nhận thông tin

mà còn có thể chuyển tiếp thông tin – đóng vai trò như router trên Internet

Đối với ứng dụng chia sẻ tài nguyên trong hội họp, khác với cách làm truyền thống khi những người tham gia hội thảo muốn chia sẻ tài liệu cho nhau

là gửi file đính kèm qua email hoặc sao chép qua các thiết bị lưu trữ thứ cấp có khả năng di động, tất cả những người tham dự hội thảo đều có thể sử dụng thiết

bị di động để tạo thành một mạng ad-hoc trong suốt thời gian đó Các thiết bị có thể truyền thông với nhau, truyền/nhận các tài liệu được sử dụng trong hội thảo Khi hội thảo kết thúc, các thiết bị được tắt nguồn, mạng tự bị hủy bỏ

Đối với ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày, môi trường mạng là mạng MANET thuần túy, tức là không có cơ sở hạ tầng về cáp, các thiết bị đầu cuối tự cấu hình để thành lập mạng, mà không có sự quản lý tập trung Mạng này có thể

tự chia nhỏ thành các mạng con Ví dụ như một mạng riêng giữa em học sinh và bạn của em, một mạng “chung” được khởi tạo bởi người muốn chia sẻ các chương trình trò chơi điện tử trên máy của anh ta Hai mạng này được trộn lẫn vào nhau một cách linh động

Hình vẽ 1.1 Ví dụ minh họa mạng MANET trên xe bus

 Mạng cảm biến

Cảm biến là các thiết bị nhỏ, phân tán, giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng, có khả năng truyền thông không dây và xử lý cục bộ Mạng cảm biến là mạng gồm các nút cảm biến (sensor) – các nút này hợp tác với nhau để cùng thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như: giám sát môi trường (không khí, đất, nước), theo dõi môi trường sống, hành vi, dân số của các loài động, thực vật, dò tìm động chấn, theo dõi tài nguyên, thực hiện trinh thám trong quân đội,

Trước đây mạng cảm biến thường bao gồm một lượng nhỏ các nút cảm biến được kết nối bằng cáp tới một trạm xử lý tập trung Ngày nay, các nút mạng cảm biến thường là không dây, phân tán để vượt qua các trở ngại vật lý của môi trường, tiết kiệm năng lượng và do trong nhiều trường hợp không thể có được một hạ tầng có sẵn về năng lượng và truyền thông

Công nghệ mạng không dây kiểu không cấu trúc thường được áp dụng để triển khai mạng cảm biến do:

 Các nút cảm biến được phân tán trong vùng không có sẵn cơ sở hạ tầng về truyền thông và năng lượng Các nút phải tự hình thành kết nối

 Các nút phải tự cấu hình, tự hoạt động trong bất cứ trường hợp nào

 Cấu hình mạng luôn có thể thay đổi (các nút cảm biến bị hỏng, các nút mới được thêm vào,…), mạng cảm biến phải tự thích nghi với những thay đổi này

 Mạng Rooftop

Là một công nghệ đang bùng nổ để cung cấp truy cập mạng băng thông rộng tới các gia đình, một cách để thay thế ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) và các công nghệ tương tự khác Mạng rooftop sử dụng công nghệ mạng ad-hoc để mở rộng phạm vi của một số điểm truy cập – các điểm này được nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) Mỗi người truy cập được trang

bị một router ad-hoc cho phép chuyển tiếp lưu lượng thay mặt những người truy cập khác

Từ khía cạnh ad-hoc, những mạng MANET như vậy là tương đối tĩnh – cấu hình của mạng hiếm khi thay đổi

Hình 1.3 Một ví dụ của mạng Rooftop

 Mở rộng phạm vi của điểm truy cập

Trong các mạng không dây được sử dụng rộng rãi ngày nay, các nút mạng

di động được kết nối với các điểm truy cập theo cấu hình hình sao Để được kết nối vào mạng, người sử dụng phải ở trong phạm vi truy cập của mạng Do phạm

vi truy cập này là giới hạn và cơ sở hạ tầng một chặng (one-hop) của cấu hình này, các điểm truy cập phải được trải rộng trong toàn bộ vùng, bao phủ khắp những nơi muốn kết nối với nhau

Sử dụng mạng không dây kiểu không cấu trúc, nhu cầu cần các điểm truy cập sẽ giảm – người sử dụng bên ngoài phạm vi truy cập sẽ vẫn có thể được “tiếp sóng” thông qua một hoặc nhiều nút trung gian để truy cập được vào mạng

1.2 Một số công nghệ của mạng MANET

1.2.1 Các đặc tả của IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 [4] là chuẩn WLAN (Wireless Local Area Network – mạng cục bộ không dây) đầu tiên dành được sự chấp nhận của thị trường Xuất phát điểm chuẩn này được IEEE đưa ra vào năm 1987 như một phần của chuẩn IEEE 802.4 với tên gọi IEEE 802.4L Năm 1990, nhóm làm việc của 802.4L đã được đổi tên thành IEEE 802.11 WLAN Project Committee nhằm tạo ra một chuẩn 802 độc lập, có nhiệm vụ định nghĩa các đặc tả dành cho tầng vật lý (PHY), tầng MAC và phần dưới của tầng liên kết dữ liệu đối với mạng WLAN Hình 1.4 minh họa sự so sánh giữa mô hình OSI và mô hình IEEE 802 Nếu mô hình OSI biểu diễn một cấu trúc truyền thông tổng thể, thống nhất thì mô hình IEEE 802 chỉ quan tâm tới các tầng phía dưới, đặc biệt là tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý

Hình 1.4 Mô hình tham chiếu OSI và IEEE 802.11

Mục đích của chuẩn IEEE 802.11 là nhằm thúc đẩy sự tương thích giữa các nhà sản xuất WLAN khác nhau Nhờ vậy, IEEE 802.11 đã được chấp nhận vào ngày 27 tháng 7 năm 1997 Kể từ đó đã có thêm hai chuẩn nữa của IEEE được phê chuẩn nhằm mở rộng tốc độ truyền dữ liệu của WLAN bằng cách nâng cao đặc tả của tầng vật lý Các đặc tả IEEE 802.11b và IEEE 802.11a đều được đưa ra vào năm 1999 Cả hai chuẩn này đều có cùng một đặc tả tầng MAC giống như đặc tả ban đầu của IEEE 802.11 Sự khác nhau là ở tầng vật lý, IEEE 802.11a sử dụng OFDM ở dải tần 5 GHz UNII để có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn, lên tới 54Mbps, trong khi đó IEEE 802.11b sử dụng CCK ở dải tần 2.4GHz ISM với thông lượng dữ liệu tối đa là 11Mbps

1.2.2 Công nghệ không dây Bluetooth

Tháng 7 năm 1999, phiên bản đầu tiên của đặc tả Bluetooth (1.0) được đưa

ra bởi Bluetooth SIG; đặc tả hiện tại là 5.1 [3] Tuy nhiên, Bluetooth đã được bắt

đầu từ 5 năm trước, 1994, khi Ericsson Mobile Communications bắt đầu nghiên cứu để tìm ra một công nghệ không dây có thể sử dụng hiệu quả để thay thế cáp khi liên kết các điện thoại theo kiểu tế bào với các phụ kiện của nó Nghiên cứu

đã tập trung vào liên kết sóng vô tuyến vì sóng vô tuyến là vô hướng và trong tầm nhìn thẳng Việc sử dụng sóng vô tuyến đem lại những ưu điểm hơn hẳn so với công nghệ hồng ngoại đã được sử dụng trước đó với cùng một mục đích Trong số nhiều yêu cầu đối với Bluetooth, hỗ trợ cho thoại và dữ liệu là đặc tính chính do mục đích của công nghệ này là kết nối máy điện thoại với tai nghe và phụ kiện

Nhóm làm việc Bluetooth (Bluetooth SIG) được thành lập năm 1998 bởi một nhóm các công ty đề xuất, bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Nokia và Toshiba Ngày nay, nhóm đã được mở rộng với số thành viên lên tới hàng ngàn Tuy nhiên, việc giới thiệu công nghệ không dây Bluetooth ra thị trường vẫn gặp trở ngại do phải cạnh tranh với IEEE 802.11b – đã được đưa ra trước và chiếm thị phần chủ yếu trên thị trường Hiện tượng này vẫn tiếp tục và vấn đề gây nhiều tranh cãi trong nền công nghệ không dây liên quan đến việc chuẩn nào Bluetooth hay IEEE 802.11b sẽ thắng thế

Mặc dù cùng hoạt động ở dải tần 2.4GHz, Bluetooth và IEEE 802.11b có những đặc điểm khác hẳn nhau, cả về khía cạnh kỹ thuật lẫn ứng dụng Hình 1.5 cho thấy IEEE 802.11 có khả năng kỹ thuật hỗ trợ cho mạng không dây tốc độ cao với dải tần 2.4 và 5 GHz, hỗ trợ công nghệ DSSS Trong khi đó công nghệ không dây Bluetooth chỉ hỗ trợ FHSS ở dải tần 2.4GHz – là giải pháp chính cho mạng ad-hoc trong phạm vi nhỏ, sử dụng để thay thế cáp kết nối giữa máy tính

và các thiết bị phụ trợ khác

Hình 1.5 Thông số chính của các chuẩn IEEE 802.11 và Bluetooth

1.2.3 Mô hình kiến trúc và giao thức của IEEE 802.11b

 Các chế độ hoạt động

IEEE 802.11b có thể hoạt động ở 3 chế độ khác nhau: BBS, ESS, và IBSS (Hình 1.6)

Hình 1.6 Các chế độ hoạt động của IEEE 802.11b

Basic Service Set – BSS (Tập dịch vụ cơ bản): Mỗi BSS chứa một điểm

truy cập (AP – access point), các nút mạng không dây hay còn gọi là các trạm

không dây Điểm truy cập đóng vai trò như cầu (bridge) cho BSS Mọi truyền thông giữa các nút mạng không dây hoặc giữa một nút mạng không dây với một máy trong mạng LAN hữu tuyến đều đi qua điểm truy cập Điểm truy cập không

di động và là một phần của cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến

Extended Service Set – ESS (Tập dịch vụ mở rộng): Cung cấp hạ tầng

mạng cho nhiều BSS Các điểm truy cập truyền thông với nhau thông qua một hệ thống phân tán (Distribution System – DS) DS có thể là bất cứ kiểu mạng nào nhưng thường là một mạng đường trục để chuyển tiếp gói tin giữa các BSS Do

đó, người dùng di động có thể di chuyển một cách “liền mảnh” giữa các BSS khác nhau

Independent Basic Service Set – IBSS (Tập dịch vụ cơ bản độc lập):

Các nút mạng không dây là ngang hàng với nhau Chúng truyền thông trực tiếp với nhau, không thông qua bất cứ điểm truy cập nào khác Các nút phải ở trong phạm vi hoạt động của nhau để có thể truyền thông

BSS và ESS thường được gọi là chế độ có cơ sở hạ tầng mạng (infrastructure mode), trong khi đó IBSS được gọi là chế độ ad-hoc (ad-hoc mode), không có một cơ sở hạ tầng mạng cho trước

Phương pháp truy cập cơ bản của giao thức MAC IEEE 802.11 là DCF (Distributed Coordination Function), bản chất là một giao thức MAC đa truy cập cảm nhận sóng mang có tránh xung đột (CSMA/CA) Ngoài ra, IEEE 802.11 cũng có một phương pháp truy cập khác, đó là PCF (Point Coordination Function) – hoạt động gần tương tự như một hệ hỏi vòng (polling system)

Hình 1.7 Kiến trúc của IEEE 802.11

1.2.4 Mạng ad-hoc với IEEE 802.11b

Trong chuẩn IEEE 802.11b, chế độ IBSS cho phép triển khai một mạng ad-hoc

Để xác định các mạng LAN không dây khác nhau trong cùng một vùng, mỗi một mạng được gán với một số định danh Trong chế độ ad-hoc (IBSS), số định danh của IBSS là IBSSID Khi một trạm nào đó khởi tạo một IBSS, IBSSID

là một số 46bits được sinh theo một thuật toán tạo số ngẫu nhiên sao cho xác suất để các trạm khác cũng tạo ra số đó là nhỏ nhất

Do tính linh động của thuật toán CSMA/CA, sự đồng bộ hóa của các trạm theo một đồng hồ chung là không đủ để nhận hoặc truyền dữ liệu đúng IEEE 802.11b sử dụng hai chức năng đồng bộ hóa các trạm trong một IBSS thực hiện đồng bộ hóa và bảo trì đồng bộ hóa

Thực hiện đồng bộ hóa: Chức năng này là cần thiết để một nút tham gia

vào một IBSS đã có Để phát hiện ra một IBSS đã có, thực hiện một thủ tục quét kênh truyền không dây Trong quá trình quét, trạm nhận được bật lên với các tần

số vô tuyến khác nhau, tìm kiếm frame điều khiển Nếu thủ tục quét không phát hiện thấy một IBSS nào, trạm có thể tự khởi tạo một IBSS

Bảo trì đồng bộ hóa: Do không có điểm truy cập trong IBSS nên chức

năng đồng bộ hóa được triển khai thông qua một thuật toán phân tán – được thực hiện bởi tất cả các thành viên của IBSS Thuật toán này được dựa trên việc truyền lại các frame báo hiệu theo một tỷ lệ rất nhỏ đã được biết trước Khoảng thời gian các lần truyền frame báo hiệu (beacon period/beacon interval) được xác định bởi trạm đã khởi tạo IBSS

Trong môi trường di động, chức năng quản lý nguồn nuôi là đặc biệt quan trọng do các nút mạng cần thực hiện chính sách tiết kiệm năng lượng (power saving - PS) Trong IBSS, chính sách tiết kiệm năng lượng được triển khai hoàn toàn phân tán Một trạm có thể ở trong hai trạng thái năng lượng khác nhau:

 Hoạt động: trạm có đủ năng lượng

 Ngủ: trạm không thể nhận hoặc truyền dữ liệu

Các trạm sử dụng thông điệp chỉ thị lưu lượng ATIMs để thông báo về việc truyền dữ liệu sắp tới và các trạm nhận dữ liệu không được chuyển sang

trạng thái “ngủ” Trong Hình 1.8(a), bộ đệm của trạm A có một frame cần gửi tới C Do đó A gửi một frame ATIM theo kiểu unicast cho trạm C trong thời gian ứng với cửa sổ truyền tin ATIM để thông báo cho C rằng A sắp truyền tin tới C và C không nên ở trạng thái tiết kiệm năng lƣợng Tuy nhiên trạm B là tự

do khi muốn chuyển trạng thái năng lƣợng Hình 1.8(b) minh họa frame ATIM đƣợc phát multicast tới một nhóm trạm, thông báo cho các trạm này biết không chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lƣợng

Hình 1.8 Sử dụng frame ATIM.

Rõ ràng rằng frame ATIM phải đƣợc truyền đi trong khoảng thời gian tất

cả các trạm là hoạt động Do đó định nghĩa cửa sổ ATIM (ATIM window) là một khoảng thời gian xác định tính từ thời điểm frame báo hiệu bắt đầu đƣợc truyền

đi Trong khoảng thời gian ứng với cửa sổ ATIM, tất cả các trạm phải ở trạng thái hoạt động (các trạm đang trong trạng thái tiết kiệm năng lƣợng đều đƣợc

“đánh thức”), chỉ đƣợc truyền đi frame báo hiệu và ATIM Giá trị của cửa sổ ATIM là một tham số của IBSS và đƣợc xác định khi IBSS đƣợc tạo ra Nếu giá trị cửa sổ ATIM bằng 0, có nghĩa là IBSS không áp dụng quản lý năng lƣợng

Hình 1.9 minh họa cửa sổ ATIM và mối quan hệ của nó với khoảng thời gian giữa các frame báo hiệu Trong hình vẽ, frame báo hiệu thứ tư bị truyền trễ do kênh truyền bận Giá trị cửa sổ ATIM là hằng số, do đó khoảng thời gian sử dụng thực sự của cửa sổ ATIM bị co lại

Hình 1.9 Cửa sổ ATIM

Hình 1.10 minh họa tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm năng lượng trong một IBSS: Trong khoảng thời gian báo hiệu thứ nhất, trạm 1 truyền đi frame ATIM theo kiểu multicast tới trạm 2, 3 và 4 Khi truyền đi frame ATIM theo kiểu multicast, trạm 1 không cần nhận được biên nhận, tuy nhiên việc truyền này có ý nghĩa rằng tất cả các trạm phải ở trong trạng thái hoạt động trong suốt khoảng thời gian của cửa sổ báo hiệu thứ nhất để nhận các frame do trạm 1 gửi đi theo kiểu multicast Khi hết thời gian của cửa sổ ATIM, trạm 1 có thể truyền đi frame tới các trạm kia Trạm 4 có thể lợi dụng khoảng thời gian còn lại để gửi đi một frame tới trạm 1 Trong khoảng thời gian báo hiệu thứ hai, trạm

2 và 3 đều có frame trong bộ đệm cần gửi tới trạm 4, do đó chúng gửi frame ATIM tới trạm 4 Trạm 4 khi nhận được các frame ATIM này, gửi frame biên nhận cho trạm gửi tương ứng Khi hết thời gian của cửa sổ ATIM, trạm 1 không

có nhu cầu truyền tin cũng như không nhận được frame ATIM nào, do đó nó có thể bước vào trạng thái “ngủ” cho tới khi bắt đầu khoảng thời gian báo hiệu thứ

ba Trạm 2 gửi một frame với kích thước lớn tới trạm 4, do đó lấy đi cơ hội

truyền tin của trạm 3 tới trạm 4 trong khoảng thời gian báo hiệu này Khi bắt đầu khoảng thời gian báo hiệu thứ ba, trạm 3 vẫn có frame trong hàng đợi cần gửi đến trạm 4 Do đó, nó truyền lại một frame ATIM tới trạm 4 Trạm 4 khi nhận được frame ATIM này sẽ gửi lại một frame biên nhận Trạm 2 không tham gia vào việc trao đổi frame ATIM và không có nhu cầu truyền tin nữa, do đó bước vào trạng thái “ngủ” Trạm 3 gửi frame tới trạm 4 Sau đó, trạm 4 có thể lợi dụng khoảng thời gian còn lại để gửi đi một frame tới trạm 4 (trạm 3 biết trạm 4 ở trong trạng thái hoạt động do quá trình trao đổi frame trước đó)

Hình 1.10 Tác động của frame ATIM đối với chế độ tiết kiệm năng lượng

1.2.6 Mạng ad-hoc Bluetooth

Trước khi bắt đầu truyền đi dữ liệu, một thiết bị Bluetooth cần phải khám phá xem có thiết bị Bluetooth nào khác đang trong không gian hoạt động của nó hay không Để thực hiện điều này, thiết bị Bluetooth đó phải chuyển sang trạng thái “điều tra” Trong trạng thái này, nó liên tục gửi đi các thông điệp điều tra – thực chất là ID của gói tin chứa mã truy cập điều tra (inquiry access code – IAC) Mã truy cập điều tra có thể là mã truy cập điều tra tổng quát (General Inquiry Access Code – GIAC) cho phép bất cứ thiết bị Bluetooth nào cũng trả lời thông điệp điều tra này, hoặc một mã truy cập điều tra dành riêng (dedicated inquiry access code – DIAC) cho phép chỉ thiết bị Bluetooth thuộc về các lớp nhất định trả lời thông điệp điều tra Trong suốt quá trình truyền đi thông điệp điều tra, thiết bị này sử dụng chuỗi nhảy tần gồm 32 tần số được xác định bởi GIAC 32 tần số này được chia thành hai nhóm, mỗi nhóm chứa 16 tần số liên tiếp nhau Một nhóm phải được lặp lại ít nhất Ninquiry = 256 lần trước khi một nhóm mới được sử dụng Sự chuyển đổi giữa các nhóm phải được thực hiện vài lần (tối đa là 3) để lấy được đủ số lượng các thông điệp trả lời cần thiết Do đó trạng thái điều tra kéo dài khoảng 10.24s trừ phi thiết bị thực hiện điều tra đã có

đủ số lượng thông điệp trả lời cần thiết trong khoảng thời gian ngắn hơn và ra khỏi trạng thái này Giữa hai lần thực hiện điều tra, bộ phận nhận của thiết bị điều tra sẽ quét xem có thông điệp trả lời điều tra nào không Trạng thái điều tra

sẽ được tiếp tục hoặc dừng lại do quyết định của Baseband Resource Manager (khi đã nhận được đủ số thông điệp trả lời cần thiết), hoặc khi hết thời gian điều tra đã định (timeout) hoặc bị hủy bỏ do lệnh từ máy (host)

Một thiết bị chỉ có thể trả lời lại một thông điệp điều tra nếu nó đang lắng nghe kênh truyền để tìm một thông điệp điều tra và bộ phận nhận của nó được

bật ở cùng tần số với thiết bị đang thực hiện điều tra Để làm tăng khả năng của

sự kiện này, một thiết bị sẽ quét mã truy cập điều tra (theo một tần số xác định) trong một khoảng thời gian đủ dài sao cho quét hết 16 tần số điều tra Hiển nhiên, thiết bị nhận được thông điệp điều tra không bị bắt buộc gửi thông điệp trả lời Nếu trả lời, nó gửi đi một gói tin điều khiển đặc biệt – gói tin FHS chứa địa chỉ thiết bị Bluetooth và đồng hồ của nó

Sau khi thực hiện điều tra, thiết bị Bluetooth sẽ phát hiện ra địa chỉ của các thiết bị Bluetooth xung quanh và đồng hồ của các thiết bị đó Nếu nó muốn kích hoạt một kết nối mới, nó phải phân phát địa chỉ thiết bị Bluetooth và đồng hồ của chính nó nhằm mục đích “tìm gọi” (paging) Thiết bị bắt đầu quá trình tìm gọi được tự động bầu làm master, thiết bị tìm gọi là slave Thiết bị thực hiện tìm gọi

gửi đi các thông điệp tìm gọi (page message), thực chất là gói tin chỉ chứa mã

truy cập thiết bị (device access code – DAC), theo các kênh truyền có chặng (hop) khác nhau DAC được lấy trực tiếp từ địa chỉ thiết bị Bluetooth của thiết bị

bị tìm gọi, do đó chỉ có duy nhất thiết bị này mới có thể nhận ra thông điệp tìm gọi Sau thủ tục tìm gọi, slave có được thông tin chính xác về đồng hồ của master và mã truy cập kênh truyền, do đó nó và master có thể bước vào trạng thái kết nối Tuy nhiên, việc truyền tin thực sự sẽ chỉ thực sự được bắt đầu sau khi slave nhận được thông điệp chỉ định (polling message) do master gửi cho

Khi một kết nối được thiết lập, các slave ở trạng thái hoạt động phải duy trì đồng bộ hóa với master Để thực hiện được điều này, slave lắng nghe kênh truyền tại mỗi khe thời gian master truyền tin đến slave bởi vì nó cần thông tin

về CAC (mã truy cập kênh truyền) Hiển nhiên, nếu một slave đang ở trạng thái hoạt động không được chỉ định, sau khi đọc thông tin về kiểu gói tin, nó có thể

quay trở lại trạng thái ngủ (sleep state) trong khoảng thời gian bằng với số khe thời gian mà master cần để thực hiện việc truyền tin

Nhìn chung, các thiết bị sử dụng công nghệ Bluetooth đều là các thiết bị di động và mang theo người, do đó việc tối thiểu hóa năng lượng sử dụng là một vấn đề quan trọng Để giảm tiêu thụ năng lượng, đặc tả Bluetooth cũng định nghĩa một số trạng thái tiết kiệm năng lượng đối với các slave đang được kết nối: Sniff, Hold, Park

1.3 Định tuyến trong mạng MANET

1.3.1 Những yêu cầu cơ bản của giao thức định tuyến trong mạng MANET

Như đã được đề cập ở phần trước, mạng MANET có những khác biệt lớn với mạng truyền thống về tài nguyên hạn chế tại các nút mạng, băng thông hạn chế, tỷ lệ lỗi cao, topo mạng thay đổi liên tục Do đó, các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần đảm bảo được những yêu cầu sau [2]:

 Tối thiểu hóa tải điều khiển: Việc truyền và nhận các gói tin điều khiển đều tiêu tốn băng thông mạng, tài nguyên xử lý và năng lượng pin Giao thức định tuyến nào giảm được số lượng các gói tin điều khiển thì sẽ tiết kiệm được những tài nguyên này

 Tối thiểu hóa tải xử lý: Những thuật toán phức tạp yêu cầu tài nguyên CPU cao dẫn đến trễ xử lý lớn và tốn pin tại các nút mạng Giao thức định tuyến có thuật toán đơn giản sẽ kéo dài được thời gian hoạt động của toàn mạng

 Hỗ trợ định tuyến đa chặng: Mỗi nút mạng không dây chỉ có khả năng truyền tín hiệu trong một phạm vi giới hạn nên để thực hiện việc truyền dữ liệu trong

mạng, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đường đa chặng giữa các cặp nút nguồn – đích

 Đáp ứng được với sự thay đổi về topo mạng: Giao thức định tuyến phải có khả năng duy trì được các đường đã tìm được khi nút nguồn, nút đích hoặc các nút trung gian trên các đường đó di chuyển Các kết nối trong mạng MANET cũng thường xuyên bị phá vỡ nên giao thức định tuyến phải có khả năng phản ứng nhanh với tải điều khiển nhỏ nhất

 Ngăn chặn định tuyến lặp: Vấn đề định tuyến lặp bởi việc một nút chọn chặng

kế tiếp của đường là một nút trước đó đã xuất hiện Khi tồn tại đường lặp vòng, các gói dữ liệu sẽ bị chuyển tiếp liên tục trong vòng mà không đến được đích cho đến khi trường TTL của nó bằng không Hiện tượng này gây tốn băng thông và giảm hiệu năng mạng Vì vậy, giao thức định tuyến phải có khả năng tìm được các đường không lặp

1.3.2 Giao thức định tuyến AODV

AODV [7] là một giao thức định tuyến động, hoạt động theo yêu cầu, đa chặng và tự khởi động giữa các nút di động trong mạng MANET Nó cho phép các nút tìm được các đường tới một đích một cách nhanh chóng và không yêu cầu các nút duy trì các con đường tới đích khi không truyền thông Đồng thời, giao thức này cho phép các nút di động làm việc được với sự thay đổi hình trạng của mạng hoặc liên kết bị đứt

AODV là giao thức có khả năng tránh định tuyến lặp và có tốc độ hội tụ nhanh khi hình trạng mạng thay đổi Khi một liên kết bị đứt, AODV sẽ tạo ra hiệu ứng để báo cho tập các nút liên quan cập nhật thông tin về đường bị lỗi Giao thức này sử dụng số thứ tự đích cho mỗi entry trong bảng định tuyến để

biểu diễn “độ mới” của đường Số thứ tự đích do nút đích tạo ra được đưa vào các gói tin điều khiển cùng với các thông tin định tuyến khác và được gửi đi đến nút có yêu cầu tìm đường Nút yêu cầu sẽ lựa chọn một con đường có số thứ tự lớn nhất

Các gói yêu cầu đường (RREQ), trả lời đường (RREP), báo lỗi đường (RERR) và gói Hello là các gói điều khiển được định nghĩa trong AODV Khi một nút cần tìm đường đến đích, nó sẽ quảng bá gói RREQ Quá trình quảng bá gói RREQ tạo ra các đường nghịch (reverse route) hướng tới nút nguồn tại các nút nhận gói Khi một nút nhận được gói RREQ, nếu nó là nút đích hoặc là nút

trung gian nhưng có thông tin về đường “đủ mới” thoả mãn yêu cầu của nút

nguồn, nó sẽ gửi gói RREP dạng unicast tới nút nguồn để trả lời đường Quá trình truyền gói RREP tạo ra các đường thuận (forward route) hướng tới nút đích tại các nút nhận gói Gói Hello được sử dụng để theo dõi trạng thái của liên kết Khi một liên kết thuộc một đường bị đứt gói RERR được sử dụng để báo lỗi

đường cho các nút láng giềng qua “danh sách con trỏ trước”

Quản lý số thứ tự là một việc thiết yếu để tránh định tuyến lặp Một nút đích sẽ trở thành nút không đến được khi một liên kết bị đứt hoặc đang ở trạng thái không hợp lệ Khi những điều kiện này xảy ra, đường chứa liên kết này sẽ được coi là mất hiệu lực bằng thao tác gán số thứ tự và đánh dấu trong bảng định tuyến là đường không hợp lệ

Cơ chế hoạt động của giao thức AODV

 Duy trì các số thứ tự

Số thứ tự được gán cho mỗi đường trong bảng định tuyến là “độ mới” của con đường Nó được gọi là “số thứ tự đích” vì nó biểu diễn “độ mới” cho con

đường tới một đích xác định để tránh định tuyến lặp Nó được cập nhật khi một nút nhận được thông tin mới hơn từ các thông điệp RREQ, RREP hoặc RERR liên quan đến đích Số thứ tự đích được mỗi nút duy trì một cách độc lập Một nút sẽ tăng số thứ tự của nó: (1) trước khi gửi gói RREQ; (2) trước khi gửi gói RREP; (3) khi nhận thông tin về trạng thái liên kết tới chặng kế tiếp của đường

bị lỗi

Để khẳng định rằng thông tin về đường đi tới một đích là mới, một nút chỉ cập nhật thông tin từ các gói điều khiển của AODV nó nhận được khi số thứ tự đích của gói lớn hơn số thứ tự đích hiện tại của nó

 Bảng định tuyến và các danh sách con trỏ trước

Bảng định tuyến của AODV bao gồm các entry, mỗi entry là biểu diễn một đường tới một đích, chứa các thông tin về IP đích, số thứ tự đích, các cờ trạng thái, giao tiếp mạng, số chặng, chặng kế tiếp, danh sách con trỏ trước và thời gian sống

Khi một nút nhận được gói RREQ, RREP hoặc RRER, nó sẽ kiểm tra bảng định tuyến đã có entry biểu diễn đường tới đích Nếu chưa có, nó sẽ tạo entry mới Một entry chỉ được cập nhật nếu số thứ tự đích của nó: (i) cao hơn số thứ tự đích; (ii) bằng với số thứ tự đích nhưng số chặng của đường mới cộng một nhỏ hơn số chặng hiện tại của entry hiện tại; (iii) chưa được biết đến

Thời gian hoạt động của mỗi entry được xác định từ gói điều khiển nhận được hoặc được khởi tạo tới bằng giá trị ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT Khi entry được sử dụng để chuyển tiếp gói dữ liệu, giá trị trường này được cập nhật bằng thời gian hiện tại cộng với ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT Nếu thời gian hiện tại lớn hơn giá trị trường này, entry sẽ được đánh dấu là không hợp lệ

Các nút trong danh sách này sẽ nhận các thông báo về sự kiện liên kết tới chặng kế tiếp bị đứt Danh sách các con trỏ trước chứa địa chỉ các nút láng giềng của các đường nghịch

 Tạo gói yêu cầu tìm đường RREQ

Giao thức AODV sử dụng gói tin RREQ để gửi yêu cầu tìm đường Cấu trúc gói RREQ được biểu diễn trong Hình 1.11

Một nút sẽ gửi gói RREQ khi cần chuyển tiếp một gói dữ liệu tới một đích nhưng nó không có entry hợp lệ trong bảng định tuyến Trường Destination Sequence Number được thiết lập bằng số thứ tự đích của entry có đích tương ứng trong bảng định tuyến Nếu entry này không tồn tại, cờ „U‟ được thiết lập là True Trường Originator Sequence Number được thiết lập giá trị bằng số thứ tự của nút cộng một Trường RREQ ID được thiết lập bằng giá trị RREQ ID của nút cộng một Mỗi nút duy trì giá trị RREQ ID một cách độc lập Trường Hop Count được thiết lập bằng 0 Trường Originator IP Address và Destination IP Address chứa địa chỉ IP tương ứng của nút hiện tại (nguồn) và nút đích

Hình 1.11 Cấu trúc gói RREQ

Trước khi quảng bá gói RREQ, nút nguồn lưu giá trị trường RREQ ID và Originator IP Address trong khoảng thời gian PATH_DISCOVERY_TIME Khi một nút nhận lại gói tin chính gói tin này từ các nút láng giềng, gói tin sẽ không được xử lý và chuyển tiếp Nếu cờ „G‟ được thiết lập, khi nút trung gian gửi gói RREP để trả lời đường, nó sẽ thông tin cho nút đích đường quay trở lại nút nguồn

Số gói RREQ được tạo trong một giây phải nhỏ hơn RREQ_RATELIMIT Sau khi gửi gói RREQ, nút nguồn đợi gói RREP trong khoảng thời gian NET_TRAVERSAL_TIME Sau khoảng thời gian này, nút nguồn sẽ quảng bá một gói RREQ khác với số lần gửi lại lớn nhất là RREQ_RETRIES Để giảm tắc nghẽn, giá trị của khoảng thời gian đợi gói RREP ở lần truyền lại gói RREQ thứ

n sẽ là (2n x NET_TRAVERSAL_TIME)

Dữ liệu cần chuyển tiếp trong thời gian tìm đường được lưu trữ vào bộ nhớ đệm kiểu FIFO Nếu sau RREQ_RETRIES lần gửi lại gói RREQ, nút nguồn không tìm được đường, dữ liệu trong bộ nhớ đệm sẽ bị xóa và thông điệp Destination Unreachable sẽ được gửi tới ứng dụng

 Điều khiển truyền gói RREQ

Để hạn chế sự quảng bá của gói RREQ, các nút trong giao thức AODV có thể sử dụng thuật toán tìm đường mở rộng dần theo vòng trên cơ sở thay đổi giá trị trường TTL trong gói IP chứa gói RREQ Giá trị trường này được khởi tạo ở lần tìm đường thứ nhất là TTL_START Nếu sau thời gian RING_TRAVERAL_TIME, nút nguồn không nhận được gói trả lời đường RREP, nó sẽ tăng giá trị trường TTL lên TTL_INCREMENT đơn vị và gửi lại gói RREQ Việc này sẽ tiếp tục cho đến khi TTL được thiết lập trong RREQ đạt

đến ngưỡng TTL_THRESHOLD, ngoại trừ trường hợp TTL=NET_DIAMETER được sử dụng cho mỗi lần thử truyền lại RREQ Sau mỗi lần, khoảng thời gian timeout chờ để nhận một thông điệp RREP là RING_TRAVERAL_TIME Khi muốn thông điệp RREQ đi qua toàn bộ mạng trong mọi lần thử truyền lại, cần thiết lập cả giá trị TTL_START và TTL_INCREMENT bằng giá trị NET_DIAMETER

Nếu trong bảng định tuyến tồn tại một entry tới đích nhưng không còn hợp

lệ, giá trị TTL được khởi tạo bằng tổng số chặng của entry và TTL_INCREMENT

 Xử lý và chuyển tiếp các thông điệp RREQ

Khi một nút nhận được một gói RREQ, đầu tiên nó sẽ tạo hoặc cập nhật entry biểu diễn đường tới nút gửi gói RREQ cho nó Sau đó, nó sẽ kiểm tra để xác định nó đã được nhận gói này trước đó chưa Nếu đã nhận, nút này sẽ huỷ bỏ gói RREQ Nếu chưa nhận được, nó sẽ thực hiện các việc sau: (1) tăng giá trị trường hop count trong gói RREQ được tăng lên một đơn vị; (2) tìm đường nghịch có đích là Originator IP Address của gói RREQ trong bảng định tuyến của mình Nếu chưa có thì tạo đường nghịch mới Nếu đã có thì cập nhật đường nghịch nếu đường nghịch nhận được có số thứ tự mới hơn số thứ tự của đường hiện tại; (3) cập nhật số thứ tự đích của nút nếu số thứ tự đích của gói RREQ lớn hơn số thứ tự hiện tại của nút; (4) chuyển tiếp gói RREQ nếu không có đường tới đích hoặc trả lời bằng gói RREP nếu có đường tới đích Trong trường hợp gói RREQ cần được chuyển tiếp, giá trị trường TTL được trừ đi 1 đơn vị và gói này được gửi kiểu broadcast trên tất cả các giao tiếp mạng của nút Trường hợp trả

lời bằng gói RREP, nếu giá trị cờ „G‟ trong gói RREQ bằng 1, gói RREQ sẽ được gửi kiểu unicast đến đích

 Tạo gói trả lời đường RREP

Giao thức AODV dùng gói tin RREP (Hình 1.12) để trả lời truy vấn đường Một nút tạo gói RREP nếu nó là nút đích hoặc nó có entry biểu diễn đường tới nút đích có giá trị số thứ tự đích lớn hơn hoặc bằng với số thứ tự đích của gói RREQ nó nhận được

Khi tạo ra một thông điệp RREP, giá trị trường Destination IP Address và trường Originator IP Address được sao chép từ thông điệp RREQ Sau đó, gói RREP được truyền kiểu unicast theo đường nghịch mà gói RREQ đã đi qua Tại mỗi nút trung gian, giá trị trường Hop Count sẽ được tăng 1 đơn vị

Nếu nút tạo gói RREP là nút đích, nó phải tăng số thứ tự của nó lên một đơn vị nếu số thứ tự trong thông điệp RREQ lớn hơn số thứ tự hiện tại của nó Nút đích sẽ thiết lập giá trị cho trường Destination Sequence Number bằng số thứ tự của nó, thiết lập giá trị trường Hop Count bằng 0, thiết lập giá trị trường Lifetime bằng giá trị MY_ROUTE_TIMEOUT của nó

Hình 1.12 Cấu trúc gói RREP

Gọi entry trong bảng định tuyến chứa đường tới nút đích là entry hiện tại Nếu nút tạo thông điệp RREP không phải là nút đích, nó sẽ thiết lập giá trị trường Destination Sequence Number bằng giá trị entry hiện tại; cập nhật các danh sách con trỏ trước của entry biểu diễn đường thuận tới đích và đường nghịch tới nguồn tương ứng bằng địa chỉ IP của nút gửi gói RREQ cho nó và địa chỉ IP của chặng kế tiếp thuộc đường tới đích; thiết lập trường Hop Count bằng giá trị Hop Count của entry hiện tại; thiết lập giá trị trường Lifetime bằng hiệu giữa thời gian timeout của hiện tại và thời gian hiện tại

 Nhận và chuyển tiếp gói RREP

Khi một nút nhận gói RREP, nó sẽ tạo một entry chứa đường tới nút gửi gói RREP và entry chứa đường thuận tới nút đích nếu những entry này chưa tồn tại Sau đó, nút này sẽ tăng giá trị trường Hop Count lên một đơn vị Nếu đã tồn tại entry chứa đường thuận tới đích, nút hiện tại sẽ cập nhật entry này nếu: (1) Số thứ tự của entry được đánh dấu là không hợp lệ; (2) Giá trị trường Destination Sequence Number lớn hơn số thứ tự của nó; (3) Số thứ tự đích trong gói RREP bằng nhau số thứ tự của nó và giá trị Hop Count của gói RREP nhỏ hơn giá trị Hop Count của entry hiện tại Các công việc cập nhật entry đường thuận bao gồm: Thiết lập trạng thái entry là hợp lệ; Thiết lập trạng thái số thứ tự đích của entry là hợp lệ; Thiết lập Next Hop của entry là địa chỉ IP của nút gửi gói RREP tới nó; Thiết lập giá trị trường Hop Count, Lifetime và Destination Sequence Number của entry tương ứng bằng giá trị Hop Count và Lifetime và Destination Sequence Number của gói RREP Nút hiện tại sau đó có thể sử dụng đường biểu diễn bởi entry này để chuyển tiếp các gói dữ liệu đến đích

Nếu nút nhận gói RREP không phải là nút khởi tạo yêu cầu tìm đường, nó

sẽ tìm entry chứa đường tới nút nguồn trong bảng định tuyến để xác định nút tiếp theo nhận gói RREP được nó chuyển tiếp

 Gói Hello

Giao thức AODV sử dụng gói Hello như là một phần của gói RREP để duy trì trạng thái kết nối Gói Hello chỉ sử dụng 4 trường của gói RREP Khi một nút gửi gói Hello, trường Destination IP chứa địa chỉ IP của nút gửi, Destination Sequence Number chứa số thứ tự hiện tại của nút, Hop Count thiết lập bằng 0 và Lifetime thiết lập bằng giá trị ALLOWED_HELLO_LOSS * HELLO_INTERVAL Mỗi nút thuộc một đường đang hoạt động sẽ quảng bá gói Hello trong gói IP có giá trị trường TTL bằng 1 theo chu kỳ HELLO_INTERVAL Nếu một nút đã nhận được một gói HELLO trước đó và

nó không nhận được gói Hello tiếp theo sau khoảng thời gian bằng ALLOWED_HELLO_LOSS * HELLO_INTERVAL, nút này coi như liên kết giữa nó với nút gửi gói Hello đã bị đứt và khởi tạo tiến trình báo lỗi đường bằng gói RRER

 Gói báo lỗi đường RERR

Khi một nút nhận được thông tin về một đường bị lỗi hoặc một liên kết bị phá vỡ, nó sẽ: (1) làm mất tính hiệu lực của các con đường đang tồn tại; (2) xác định danh sách các nút đích bị ảnh hưởng; (3) xác định các nút láng giềng bị ảnh hưởng; (4) truyền gói RERR tới các nút láng giềng bị ảnh hưởng

Gói RRER được tạo ra khi một nút gặp phải một trong các tình huống: (i) khi liên kết tới chặng kế tiếp của đường tới đích bị đứt; (ii) khi nhận được gói dữ

liệu có đích mà không có entry hợp lệ; (iii) khi nhận được gói RRER liên quan tới các đường trong bảng định tuyến

Hình 1.13 Cấu trúc gói RRER

Trước khi truyền thông điệp RERR, việc cập nhật được thực hiện đối với các entry chứa đích không đến được trong bảng định tuyến bao gồm: (1) tăng số thứ tự đích của entry với trường hợp (i) và (ii) hoặc thiết lập số thứ tự đích bằng giá trị trường Unreachable Destination Sequence Number của gói RRER trong trường hợp (iii); (2) làm mất tính hiệu lực của entry bằng trạng thái Invalid; (3) thiết lập giá trị trường Lifetime của entry bằng thời gian hiện tại công với giá trị DELETE_PERIOD Sau khoảng thời gian Lifetime, nếu trạng thái của entry không thay đổi, entry này sẽ bị xoá khỏi bảng định tuyến

1.4 Kết luận Chương 1

Mạng MANET là một mạng không dây được tạo thành, hủy bỏ, và thay đổi một cách tự động mà không cần có sự can thiệp của người dùng Đặc trưng lớn nhất của MANET là khả năng tự hình thành tính đa chặng Các nút chuyển tiếp các gói tin vừa đóng vai trò là một thiết bị người dùng, vừa đóng vai trò là một router để tạo thành một mạng không dây có khả năng hoạt động rất linh hoạt

Lợi ích của mạng MANET thể hiện rõ nhất trong các điều kiện mà mạng truyền thống không khả thi do những lý do về kinh tế hoặc những lý do triển khai trong thực tế Công nghệ mạng MANET có tiềm năng ứng dụng rất lớn vào các lĩnh vực trong quân sự, phòng chống thảm họa, hội thảo, tính toán phân tán, mạng cảm biến, mạng Rooftop và mở rộng phạm vi của các điểm truy cập

Có hai công nghệ chính ở tầng Vật lý và tầng Liên kết dữ liệu được sử dụng trong mạng MANET là IEEE 802.11b và Bluetooth Những vấn đề chính được trình bày trong hai công nghệ này bao gồm: kiến trúc, tính chất vật lý, các chế độ hoạt động, cách thành lập mạng, các chức năng hợp tác, an ninh

Do mạng MANET có những khác biệt lớn với mạng truyền thống nên các giao thức định tuyến trong mạng MANET cần được thiết kế đặc biệt để đảm bảo được những yêu cầu: Tối thiểu hóa tải điều khiển, tối thiểu hóa tải xử lý, hỗ trợ định tuyến đa chặng, đáp ứng được với sự thay đổi về topo mạng và ngăn chặn định tuyến lặp

Đã có nhiều giao thức định tuyến được phát triển dành cho mạng MANET, trong đó AODV là giao thức định tuyến được sử dụng rộng rãi nhất Thuật toán AODV cho phép định tuyến động, đa chặng và tự khởi động giữa các nút mạng

di động tham gia vào mạng không dây kiểu không cấu trúc AODV cho phép các nút mạng di động tìm được các con đường tới một nút đích nào đó một cách nhanh chóng và không yêu cầu các nút duy trì các con đường tới đích khi không truyền thông AODV cho phép các nút di động làm việc được với sự thay đổi hình trạng của mạng hoặc liên kết bị đứt Những cơ chế chính của AODV bao gồm tiến trình khám phá đường thông qua hoạt động quảng bá gói RREQ, tiến trình trả lời đường thông qua hoạt động gửi gói RREP, tiến trình báo lỗi đường

thông qua hoạt động gửi gói RRER và tiến trình duy trì liên kết thông trên các con đường thông qua gói HELLO