MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ của GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV sử DỤNG tác tử DI ĐỘNG

Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV SỬ DỤNG TÁC TỬ DI ĐỘNG Cung Trọng Cường Võ Thanh Tú Nguyễn Thúc Hải Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế 70 Nguyễn Huệ, TP Huế Email: ctcuong@hueic.edu.vn Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế 77 Nguyễn Huệ, TP Huế Email: vothanhtu_hue@yahoo.com Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt – Để nâng cao chất lượng dịch vụ khai thác hiệu tài nguyên mạng MANET, việc nghiên cứu cải tiến giải pháp, kỹ thuật mạng MANET, đặc biệt nghiên cứu giao thức định tuyến để cải tiến hoạt động cần thiết nhiều nhóm nghiên cứu tham gia Trong báo này, tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến AODV, từ đề xuất giải pháp nâng cao hiệu hoạt động giao thức định tuyến mặt xác suất nghẽn mạng dựa công nghệ tác tử di động Chúng sử dụng phương pháp mô để đánh giá hiệu thực thi thuật toán đề xuất Từ khóa: MANET routing, mobile agent, AODV I GIỚI THIỆU Cơng nghệ mạng máy tính truyền thơng ngày phát triển, đặc biệt công nghệ truyền thông không dây triển khai ứng dụng hầu hết lĩnh vực Đối với số ứng dụng đòi hỏi tính di động cao mật độ truyền lớn khả đáp ứng chế định tuyến thích nghi AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), DSR (Dynamic Source Routing) [1] số hạn chế Vì vậy, thời gian gần đây, nhà nghiên cứu cố gắng nâng cao tính sẵn sàng tin cậy tốn định tuyến thích nghi để đáp ứng nhanh với di động hệ thống Một giải pháp sử dụng tác tử di động (Mobile Agent) [2], sử dụng đặc tính tự trị khả di động từ nút sang nút khác để hồn tất tác vụ Ý tưởng việc ứng dụng tác tử di động di chuyển xử lý đến gần nguồn liệu, nhờ giảm tải mạng, khắc phục tình trạng trễ, hỗ trợ xử lý không đồng tạo tương thích mạnh mơi trường khơng đồng Với ưu điểm này, công nghệ tác tử di động hứa hẹn giải pháp mới, hiệu có nhiều thuận tiện việc ứng dụng vào điều khiển giao thức mạng Đặc trưng mạng di động nút mạng có khả di chuyển Vì vậy, vấn đề cập nhật 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: haint@soict.hut.edu.vn thông tin trạng thái mạng nút nhóm di động để có chế truyền, nhận định tuyến liệu cách tối ưu điều đặc biệt quan trọng Với phương thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu, có yêu cầu từ nguồn đến đích, nút nguồn phải khởi đầu q trình định tuyến, q trình hồn tất tìm lộ trình sẵn sàng tất lộ trình khả thi kiểm tra Khi lộ trình tìm thiết lập, trì số dạng thủ tục lộ trình khơng thể truy nhập từ nút nguồn lộ trình khơng cần thiết Do vậy, việc tích hợp tác tử di động vào điều khiển giao thức định tuyến mạng MANET nhằm cải thiện hiệu giao thức định tuyến điều cần thiết có ý nghĩa quan trọng Các phần báo tổ chức sau: Phần trình bày nguyên lý giao thức định tuyến AODV, để từ phân tích ưu nhược điểm giao thức định tuyến Đồng thời, chúng tơi trình bày số cơng trình nghiên cứu công bố liên quan đến việc sử dụng tác tử di động vào điều khiển trình định tuyến Phần trình bày giao thức định tuyến cải tiến AODV mà đề xuất dựa công nghệ tác tử di động Hiệu thực thi thuật toán AODV cải tiến đánh giá phương pháp mơ mà chúng tơi trình bày phần Cuối kết luận hướng phát triển báo II GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV Giao thức định tuyến AODV dựa thuật toán vector khoảng cách thuộc loại định tuyến theo yêu cầu, yêu cầu đường định tuyến cần thiết Giao thức kông sử dụng chế định tuyến nguồn không cần biết thông tin nút láng giềng nó, AODV dựa entry bảng định tuyến để phát gói tin RREP nút nguồn nút nguồn dùng thơng tin để gởi liệu đến đích Để đảm bảo thơng tin bảng Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 định tuyến AODV sử dụng kỹ thuật Sequence Number (kỹ thuật dùng để nhận đường khơng giá trị q trình cập nhật bảng định tuyến) để loại bỏ đường không giá trị bảng định tuyến Mỗi nút có tăng số Sequence Number riêng cho Quá trình định tuyến AODV bao gồm chế chính: chế tạo thơng tin định tuyến chế trì thơng tin định tuyến [3] - Cơ chế tạo thông tin định tuyến thiết lập nút nguồn có nhu cầu trao đổi thông tin với nút khác hệ thống mạng MANET, nút hệ thống mạng trì đếm: Bộ đếm Sequence Number Bộ đếm REQ_ID Cặp thông tin định danh cho gói tin RREQ - Cơ chế trì thơng tin định tuyến: Cơ chế hoạt động AODV không cần phải biết thông tin nút láng giềng, cần dựa vào entry bảng định tuyến Vì vậy, nút nhận thấy Next hop (chặng kế tiếp) khơng thể tìm thấy, phát gói RRER (Route Error) khẩn cấp với số Sequence number số Sequence number trước cộng thêm 1, Hop count ∞ gởi đến tất nút láng giềng trạng thái active, nút tiếp tục chuyển gói tin đến nút láng giềng nó, tất nút mạng trạng thái active nhận gói tin Sau nhận thơng báo này, nút xóa tất đường có chứa nút hỏng, đồng thời khởi động lại tiến trình Route discovery có nhu cầu định tuyến liệu đến nút bị hỏng đó, cách gởi gói tin RREQ (với số Sequence number số Sequence number mà biết trước cộng thêm 1) đến nút láng giềng để tìm đến địa đích Thuật tốn khám phá lộ trình mõi nút giao thức AODV thực theo bước sau: - Bước 1: Xem gói RREQ xử lý chưa? Nếu xử lý loại bỏ gói tin khơng xử lý thêm Ngược lại chuyển qua bước - Bước 2: Nếu bảng định tuyến chứa đường đến đích, kiểm tra giá trị Destination sequence number entry chứa thông tin đường với số Destination sequence number gói RREQ, số Destination sequence number RREQ lớn số Destination squence number entry không sử dụng thông tin entry bảng định tuyến để trả lời cho nút nguồn mà tiếp tục phát Broadcast gói RREQ đến cho nút láng giềng Ngược lại phát Unicast cho gói RREP ngược trở lại cho nút láng giềng để báo nhận gói RREQ Gói RREP ngồi thơng tin như: địa nguồn, địa đích,…còn chứa thơng tin: destination sequence number, hop-count, TTL Ngược lại qua bước - Bước 3: Nếu bảng định tuyến khơng có đường đến đích tăng số Hop-count lên 1, đồng thời tự động thiết lập đường ngược (Reverse path ) từ đến nút nguồn cách ghi nhận lại địa nút láng giềng mà nhận gói RREQ lần Entry chứa đường ngược tồn khoảng thời gian đủ để gói RREQ tìm đường đến đích gói RREP phản hồi cho nút nguồn, sau entry xóa Quá trình kiểm tra lặp gặp nút đích nút trung gian mà có kiện thỏa bước Trong trình trả gói RREP, nút nhận lúc nhiều gói RREP, xử lý gói RREP có số Destination Sequence number lớn nhất, số Destination sequence number chọn gói RREP có số Hop-count nhỏ Sau cập nhật thơng tin cần thiết vào bảng định tuyến chuyển gói RREP Trong thời gian gần đây, có nghiên cơng trình nghiên cứu đề xuất thuật tốn cải tiến cho AODV để nâng cao hiệu hoạt động chúng Trong có số cơng trình sử dụng tác tử di động để điều khiển trình định tuyến Một hướng cải tiến giao thức giao thức AODV cải tiến khả di động [4], tập trung vào tính tốn tình trạng tắc nghẽn nút chọn lựa đường với nút tắt nghẽn thay chọn nút gần thuật toán gốc Với việc sử dụng tác tử di động, số tác tử di động cọng vào trong giao thức AODV, mang thơng tin tình trạng tắt nghẽn nút mạng tác tử di động chạy qua nút mạng, chọn nút có tải nút xung quanh cập nhật bảng trạng thái theo hướng phù hợp với tình trạng tắc Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 nghẽn với trợ giúp tác tử di động, nút lấy hình trạng mạng động liên tục cải tiến lựa chọn lộ trình cho tỷ lệ nhỏ nhằm hạn chế nghẽn lưu lượng nút trung gian Năm 2008, nhóm nghiên cứu Hong L et al đề xuất giải pháp sử dụng tác tử di động để điều khiển tắc nghẽn mạng MANET dựa giao thức định tuyến AODV [5] Tác tử di động tích hợp vào nút mạng để cập nhật thơng tin trạng thái tình trạng tắc nghẽn nút Tình trạng tắc nghẽn xác định tỷ lệ chiều dài đệm hành so với chiều dài cực đại Từ đó, nút phân chia thành trạng thái, là: trạng thái khơng tắc nghẽn, trạng thái tắc nghẽn trung bình trạng thái tắc nghẽn nghiêm trọng Thuật toán định tuyến lựa chọn lộ trình tối ưu dựa trạng thái Các tác giả sử dụng phương pháp mô để đánh giá hiệu thực thi phương pháp đề xuất Kết mô cho thấy độ trể trung bình gói tin mạng nhỏ so với thuật toán AODV B Mơ tả thuật tốn Một nhóm nghiên cứu khác đề xuất thuật tốn định tuyến có tên ant-AODV dựa giao thức AODV kết hợp với tác tử di động [6] Ant-AODV cung cấp khả kết nối nút cao, giảm bớt công việc khám phá lộ trình có u cầu truyền liệu Điều cho phép làm giảm độ trể truyền thông chứng minh phương pháp mô Trong báo này, sử dụng tác tử di động để cập nhận thông tin trạng thái cho giai đoạn khám phá lộ trình giao thức AODV Tác tử di động thực chức cập nhật tình trạng tắc nghẽn nút mạng dựa thông tin bảng định tuyến nút III Thuật toán AODV cải tiến thực sở thuật toán AODV truyền thống, trình định tuyến thực qua giai đoạn khám phá lộ trình trì lộ trình Tuy nhiên, giai đoạn điều khiển tác tử di động chứa thông tin trạng thái nút mạng để tơi ưu hóa việc định tuyến Giai đoạn khám phá lộ trình thực theo bước thuật toán AODV truyền thống mô tả chi tiết phần Trong bước khám phá lộ trình, chúng tơi tích hợp tác tử di động gói tin FA (Forward Agent) gửi kèm gói RREQ gói BA (Backward Agent) để cập nhật thông tin trạng thái nút mạng Cấu trúc gói tin FA mơ tả hình 1, chức trường mơ tả sau: - ID: Số thứ tự yêu cầu khám phá lộ trình - Src_ID: Địa nút nguồn lộ trình cần khám phá - Dest_ID: Địa nút đích lộ trình cần khám phá Hình Cấu trúc Agent FA Tình trạng tắc nghẽn nút mạng cập nhật tác tử di động BA Cấu trúc BA mơ tả hình với trường sau: THUẬT TOÁN AODV CẢI TIẾN A Ý tưởng thuật toán Một vấn đề gây tình trạng nghẽn lưu lượng mạng MANET mật độ lưu lượng phân phối đến nút trung gian không đồng Nguyên nhân chế khám phá lộ trình thuật tốn định tuyến, có nhiều nút chứa nhiều lộ trình qua chúng Để khắc phục điều này, chúng tơi tích hợp tác tử di động vào nút mạng để cập nhật thông tin mật độ lưu lượng nút Mật độ lưu lượng xác định tổng số lộ trình qua nút tổng số lộ trình mạng Thuật tốn AODV Hình Cấu trúc Agent BA - ID: Số thứ tự yêu cầu khám phá lộ trình - Intermediate_ID: Địa nút trung gian lộ trình cần khám phá - CP: mức độ tắc nghẽn nút trung gian xét Giá trị CP ước lượng tỷ lệ tổng số lộ trình qua nút xét tổng số lộ trình thiết lập mạng CP tính theo phương trình sau: Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 CP  RI RA (1) Với RI tổng số lộ trình qua nút trung gian xét, RA tổng số lộ trình tồn mạng Khi nút nguồn nhận agent phản hồi BA, lựa chọn lộ trình có mức độ tắc nghẽn thấp dựa giá trị trường CP tính theo phương trình (1) chứa agent IV - Khối Physic: Xác định topo mạng, kết nối vật lý nút láng giềng - Khối Mobility: Điều khiển trình di chuyển nút - Khối MobileAgent: Phát sinh agent, cập nhật thông tin trạng thái mạng điều khiển q trình truyền/nhận agent mạng MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Để đánh giá hiệu thực thi thuật tốn AODV cải tiến, chúng tơi tiến hành mô hệ mô kiện rời rạc OMNeT++ [7], so sánh với thuật tốn truyền thơng AODV cài đặt module adHocSim [8] Giao diện chương trình mơ hình 3, chúng tơi mơ tơpơ có 50 nút Các kết nối hình biểu thị thời điểm xét chúng nút láng giềng Hình Cấu trúc nút mạng MANET có tích hợp Tác tử di động điều khiển định tuyến Hình Một topo mơ mạng MANET Cấu trúc nút mạng thiết kế hình 4, với chức khối mơ tả sau: - Khối App: Phát sinh ứng dụng, tức yêu cầu định tuyến lưu lượng qua mạng - Khối Router: Thực thi thuật toán định tuyến AODV AODV cải tiến - Khối Mac: Thực đóng gói, truyền lưu lượng qua lộ trình tìm Kết mơ hình xác suất gói tin rơi AODV AODV cải tiến Ta thấy rằng, thuật toán AODV cải tiến thực thi hiệu thuật toán AODV truyền thống mặt xác suất nghẽn mạng trường tốc độ di chuyển trung bình nút vừa phải (từ m/s đến 22 m/s) Vì vậy, trường hợp này, tỷ lệ gói tin truyền thành cơng AODV cải tiến cao AODV thể rõ hình Đây kết có ý nghĩa việc áp dụng tác tử di động vào điều khiển giao thức định tuyến mạng MANET nhằm nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên mạng Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 Hình So sánh xác suất gói tin rơi AODV AODV cải tiến Hình Trễ truyền tải gói tin trung bình AODV AODV cải tiến V Hình So sánh tỷ lệ gói tin truyền thành công AODV AODV cải tiến Kết mơ hình trễ truyền tải gói tin trung bình thuật tốn AODV AODV cải tiến Ta thấy rằng, trễ truyền tải gói tin trung bình thuật tốn tương đương tốc độ di chuyển trung bình nút thay đổi KẾT LUẬN Công nghệ mạng không dây phát triển ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Việc áp dụng công nghệ thông minh vào giao thức điều khiển nhằm nâng cao hiệu khai thác tài nguyên mạng điều cần thiết có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Bài báo tập trung nghiên cứu giải pháp sử dụng tác tử di động vào điều khiển giao thức định tuyến mạng MANET nhằm nâng cao hiệu thuật toán định tuyến AODV mặt xác suất nghẽn mạng Chúng đề xuất thuật toán định tuyến AODV cải tiến sở cải tiến thuật toán định tuyến AODV truyền thống, sử dụng tác tử di động để điều khiển trình khám phá lộ trình cách cập nhật thường xuyên tình trạng tắc nghẽn nút mạng Kết mô cho thấy việc tích hợp tác tử di động vào thuật toán AODV mạng lại hiệu mặt xác xuất nghẽn mạng Tuy nhiên, tập trung vào cải tiến tình trạng nghẽn mạng Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hiệu độ trễ trung bình, phân tích trường hợp tốc độ di chuyển nút mạng cao Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin truyền thông- Hà Nội, 03-04/12/2012 CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.V Mahapurush, S.S Manvi, M.S.Kakkasageri, Performance Analysis of AODV, DSR, and Swarm Intelligence Routing Protocols In Vehicular Ad hoc Network Environment, International Conference on Future Computer and Communication, pp.21-25, 2009 [2] Joseph P Macker, William Chao, Ranjam Abramson, Multi-Agent Systems in Mobile Ad hoc Networks, Naval Research Laboratory, 2007 [3] Elizabeth M Royer et al., “A Review of Current Routing Protocols for Ad Hoc Mobile Wireless Networks”, IEEE Personal Communications, Vol.6 pp.46-55, 1999 [4] Jdrees, M Yousaf, M M Jaffry, S W Pasha, M A Hussain S A; Punjab University College of Information Technology, Enhancements in AODV Routing Using Mobility Aware Agents, The IEEE International conference on Emerging Tecnology, pp.98-102, 2005 [5] Hong Li, Chu Dan, Wang Min, Li Shurong, “Mobile agent based Congestion Control AODV Routing Protocol”, 4th International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing (WiCOM '08), pp.1-4, 2008 [6] Shivanajay Marwaha, Chen Khong Tham, Dipti Srinivasan, “A novel routing protocol using mobile agents and reactive route discovery for ad hoc wireless networks” 10th IEEE International Conference on Networks (ICON 2002), pp.331-226, 2002 [7] http://www.omnetpp.org/documentation [8] http://www.omnetpp.org/omnetpp/doc_details/211 8-adhocsim ... nút gần thuật toán gốc Với việc sử dụng tác tử di động, số tác tử di động cọng vào trong giao thức AODV, mang thơng tin tình trạng tắt nghẽn nút mạng tác tử di động chạy qua nút mạng, chọn nút... 2008, nhóm nghiên cứu Hong L et al đề xuất giải pháp sử dụng tác tử di động để điều khiển tắc nghẽn mạng MANET dựa giao thức định tuyến AODV [5] Tác tử di động tích hợp vào nút mạng để cập nhật thông... tiến cao AODV thể rõ hình Đây kết có ý nghĩa việc áp dụng tác tử di động vào điều khiển giao thức định tuyến mạng MANET nhằm nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên mạng Hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một