Đề xuất phương pháp ước lượng độ tin cậy mạng Manet dựa trên kỹ thuật phân cụm và dự phòng mạng

Bài viết này đề xuất phương pháp tính độ tin cậy của mạng dựa trên việc phân cụm mạng nhằm giảm tính phức tạp của cấu trúc mạng trong việc tính toán và từ đó áp dụng phương án dự phòng để nâng cao độ tin cậy của mạng tùy biến di động.

Kỷ yếu Hội nghị Khoa học Quốc gia lần thứ IX “Nghiên cứu ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR'9)”; Cần Thơ, ngày 4-5/8/2016 DOI: 10.15625/vap.2016.00014 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG ĐỘ TIN CẬY MẠNG MANET DỰA TRÊN KỸ THUẬT PHÂN CỤM VÀ DỰ PHÒNG MẠNG Lê Khánh Dƣơng1, Lê Quang Minh2, Nguyễn Anh Chuyên1, Tô Hữu Nguyên1 Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông, Đại học Thái Nguyên Viện Công nghệ thông tin, Đại học Quốc Gia Hà Nội lkduong@ictu.edu.vn, quangminh@vnu.edu.vn, nachuyen@ictu.edu.vn, thnguyen@ictu.edu.vn TÓM TẮT— Trong mạng tùy biến di động nút tự di chuyển từ vị trí sang vị trí khác, việc di chuyển làm cho cấu trúc mạng thay đổi theo thời gian thực ảnh hưởng lớn đến chất lượng dịch vụ nói chung tồn mạng Việc tính tốn độ tin cậy mạng gặp nhiều khó khăn tính phi cấu trúc mạng Bài báo đề xuất phương pháp tính độ tin cậy mạng dựa việc phân cụm mạng nhằm giảm tính phức tạp cấu trúc mạng việc tính tốn từ áp dụng phương án dự phịng để nâng cao độ tin cậy mạng tùy biến di động Từ khóa— Mạng tùy biến di động, độ tin cậy, phân cụm mạng, dự phòng I GIỚI THIỆU A Đặc điểm mạng MANET Đặc điểm mạng tùy biến di động MANET (Mobile Ad-hoc Network) đƣợc cấu trúc từ node mạng khơng dây có đặc tính tự cấu hình truyền thơng đa bƣớc Do đặc tính tùy biến nên MANET cung cấp miền rộng ứng dụng dịch vụ cho vùng mạng cục đô thị nhƣ: Mạng cộng đồng, mạng hỗ trợ khẩn cấp, điểm truy nhập công cộng, ứng dụng cho qn đội, ứng dụng tính tốn nhúng phân tán, dịch vụ theo khu vực mạng cảm biến,… Bên cạnh ƣu điểm, MANET phải đối mặt với loạt thách thức cấu trúc mạng tạo ví dụ nhƣ: tính tự trị nút, điều hành phân tán, định tuyến đa bƣớc, cấu hình mạng động, cơng suất tiêu thụ không ổn định môi trƣờng, liên kết không dây, Trong mạng MANET nút tự di chuyển từ vị trí sang vị trí khác, việc di chuyển làm cho cấu trúc mạng thay đổi theo thời gian thực ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng dịch vụ nói chung tồn mạng Xét mạng MANET theo không gian phẳng chiều việc xác định độ tin cậy mạng vấn đề quan trọng có ý nghĩa lớn việc triển khai mạng MANET thực tế Các nút mạng mạng có nguồn lƣợng hạn chế vừa đảm bảo nhiệm vụ truyền nhận liệu vừa đảm bảo nhiệm vụ chuyển tiếp thời điểm mỗ nút mạng có vai trị khác nhau, vai trị thay đổi liên tục theo thời gian Nhƣ nhóm tác giả [3] đề xuất hƣớng tiếp cận “không-thời gian” cho tối ƣu vùng phủ mạng nhằm giải hai yếu tố tính phi cấu trúc mạng tính đa nhiệm nút mạng Theo [4] đề xuất hƣớng tiếp cận tính độ tin cậy mạng cảm biến khơng dây di động (MANET) dựa việc mơ hình hóa cấu trúc mạng thời điểm xét dƣới dạng đồ thị dựa cấu trúc để tính độ tin cậy mạng, phƣơng pháp dựa hai tham số là: độ tin cậy nút độ tin cậy liên kết nút theo cấu trúc mạng B Tính độ tin cậy dựa việc phân cụm mạng Thời gian hoạt động không lỗi nút mạng đại lƣợng đặc trƣng cho khả khơng lỗi khoảng thời gian t Độ tin cậy P(t): phần tử hệ thống xác suất để suốt khoảng thời gian khảo sát t, phần tử hệ thống vận hành an toàn [1] Từ đặc điểm mạng đặt nhiều thách thức tính tốn đánh giá độ tin cậy mạng, phƣơng pháp đƣợc nhiều nghiên cứu lựa chọn phân chia mạng thành phân cụm nhỏ phân cụm tiến hành tính tốn đánh giá phân cụm tiến đến đánh giá toàn mạng dựa mối quan hệ phân cụm với II PHÂN CỤM MẠNG A Phân cụm mạng đồng Các tác giả [2, 5, 6] chia mạng MANET thành phân cụm (cluster) mạng dựa phân cụm để tính độ tin cậy toàn mạng, gọi C tập phân cụm ta có: { } với β số phân cụm mạng (1) Với phƣơng pháp phân cụm nhƣ giảm độ phức tạp cấu hình mạng, giả sử xét mạng MANET ( ( với α nút số lƣợng cấu hình có mạng cấu hình Giả sử mạng MANET nhƣ Lê Khánh Dƣơng, Lê Quang Minh, Nguyễn Anh Chun, Tơ Hữu Ngun 113 ( ( hình (24 nút mạng) ta có số lƣợng cấu hình có sử dụng phƣơng pháp phân cụm có C nhỏ nhiều độ tin cậy tồn mạng khơng phụ thuộc vào cấu hình cụ thể phân cụm nhƣ việc tính tốn trở nên đơn giản Hình Phân cụm mạng MANET Với S định nghĩa tập cấu hình hệ thống: ⋃ Đặt (2) độ tin cậy phân cụm Ci, độ tin cậy tồn mạng là: ( ∏ (3) Nếu mạng chia đồng cơng thức (3) thành lý tƣởng là: ( (4) B Phân bố nút mạng phân cụm Theo [7], giả sử nút mạng đƣợc phân bố ngẫu nhiên vùng mạng diện tích Ω, xét kịch mạng hình lƣới có nút đƣợc phân bố nhƣ trình Poisson hai chiều với mật độ  mặt phẳng Xác suất để tìm thấy k nút miền diện tích Ω là: ( ( (5) III ƢỚC LƢỢNG ĐỘ TIN CẬY CỦA PHÂN CỤM MẠNG CÓ SỬ DỤNG NÚT CH A Nút CH Trong MANET, chia mạng thành S phần nhƣ công thức (2); với phân cụm định nghĩa head node (clusterhead node-CH node) đƣợc ký hiệu h(c) phân cụm phải nút mà khoảng cách đến nút cịn lại phân cụm phải nhỏ bán kính truyền dẫn r nút [6], tức là: ( ( Hình Phân cụm sử dụng nút CH (6) 114 ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG ĐỘ TIN CẬY MẠNG MANET DỰA TRÊN KỸ THUẬT PHÂN CỤM VÀ DỰ PHÒNG MẠNG Nút CH yêu cầu có nguồn lƣợng cao nút lại mạng tổ chức theo phân cụm, nút CH hết lƣợng hay khỏi vùng (địa lý) phân cụm kích hoạt hoạt động “phân cụm lại” (reclustering) toàn nút phân cụm, thân hành động phân cụm lại đòi hỏi tiêu tốn lƣợng khơng nhỏ, độ tin cậy phân cụm phần nhiều phụ thuộc vào độ tin cậy nút CH [6] Với việc sử dụng nút CH đảm bảo nút thành viên phân cụm phạm vi truyền CH, di chuyển khỏi phân cụm nhập phân cụm khác khơng kích hoạt hoạt động “phân cụm lại” toàn mạng việc xử lý nút CH phân cụm có biến động cấu trúc mạng (khi thêm, bớt thành viên) B Ước lượng độ tin cậy phân cụm có CH node Theo nhóm tác giả [3, 5, 6] việc lựa chọn nút làm Nút CH dựa nguồn lƣợng lại nút so với tổng lƣợng trung bình nút nhóm, việc lựa chọn theo tiêu chí đảm bảo nút CH nút có lƣợng lớn nút cịn lại nhóm đảm bảo cấu trúc nhóm xoay quanh nút CH đƣợc trì lâu hơn, nhiên việc lựa chọn theo hƣớng có hạn chế định nhƣ: độ tin cậy nút đặt vấn đề truyền thơng khơng hồn tồn phụ thuộc vào mức lƣợng có nút đó, lẽ với nút cịn lƣợng (ví dụ cịn dƣới 5% lƣợng) nhƣng vị trí kết nối thuận lợi hoạt động truyền thơng nội nhóm đảm bảo tốt có độ tin cậy cao nhiều so với nút CH có nhiều lƣợng nhƣng vị trí khơng thuận lợi cho nút nhóm truyền thơng cho Ngồi cơng thức tính tốn lƣợng suy hao truyền thông dựa khoảng cách nút gửi nút nhận Do báo xác định việc chọn nút CH cho nhóm dựa vị trí nút cho “thuận lợi nhất” liên kết nội nhóm, đề xuất phƣơng án dự phòng cho nút CH theo phƣơng án dự phòng lạnh [1] (hình 3) Hình Sử dụng nút dự phòng phân cụm Mệnh đề: cho phân cụm có n nút, phân cụm gọi hoạt động (trong trƣờng hợp khơng tính đến liên kết nội nhóm cụm) có tối thiểu k (0k) xung quanh nút CH làm nút dự phịng với buộc thỏa mãn công thức (6), nhằm nâng cao độ tin cậy nút CH, dự phịng cho nút CH có 02 phƣơng án dự phịng [1]:  Dự phịng nóng: nút làm dự phòng hoạt động đồng với thành phần đƣợc dự phòng sẵn sàng thay lúc thành phần dự phòng bị lỗi  Dự phòng lạnh: nút làm dự phịng khơng đƣợc sử dụng thành phần đƣợc dự phòng bị lỗi cần đƣợc thay thế, phù hợp với nút mạng có nguồn ngăn lƣợng hạn chế Trong trƣờng hợp sử dụng phƣơng án dự phòng lạnh, tức nút làm dự phịng khơng hoạt động nút CH bị lỗi chuyển sang giữ vai trị nút CH Sau tính đến độ tin cậy phân cụm trƣờng hợp lần lƣợt có nút, nút, nút làm dự phịng lạnh [1] cho nút CH, có tính đến u cầu tối thiểu có k nút hoạt động nhƣ nêu mệnh đề trên, từ công thức (5), (6), (7) (8) suy ra:  Nút CH có 01 nút dự phòng: ( ( ( ( ) ( ( ( ( ( ( ( ( ( ) ( ( ( ( ( ∑ ( ( ( ( ( ( ( ) (9)  Nút CH có 02 nút dự phòng: ( ( ( ( )( ( ( ( (  ( ( ( ( ( ( ( ( )( ( ( ) ( ( ( ( ( )( ( ∑ ( ) (10) Nút CH có 03 nút dự phòng: ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( )( ( ( )( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ( ∑ ( ) (11) Với Ω trường hợp trùng với miền truyền liệu nút CH (và nút chọn dự phòng) IV PHƢƠNG ÁN DỰ PHÒNG SỬ DỤNG PHÂN CỤM LÕI A Phân cụm lõi Xét mạng MANET có N nút cảm biến đƣợc phân thành β phân cụm với cụm có α nút mạng (N=β*α) Đặc điểm nút mạng MANET vừa nút nhận gửi tin đồng thời nút chuyển tiếp (router) mạng Vì nút trung tâm mạng có xác suất làm router cao nút vùng biên, ảnh hƣởng lớn đến khả kết nối truyền tin thành công mạng, nút tốn nhiều lƣợng thời gian hoạt động tất truyền thơng nút vùng biên xa qua nút trung gian vùng trung tâm (hình 4) [4] Vấn đề đặt kỹ thuật phân cụm với nút vùng trung tâm cần có chế dự phịng nhằm đảm bảo vùng có độ tin cậy cao Hình Phân cụm lõi 116 ĐỀ XUẤT PHƢƠNG PHÁP ƢỚC LƢỢNG ĐỘ TIN CẬY MẠNG MANET DỰA TRÊN KỸ THUẬT PHÂN CỤM VÀ DỰ PHỊNG MẠNG B Tính độ tin cậy mạng Gọi phân cụm lõi Cb với số nút α cơng thức (3) độ tin cậy mạng là: ( ∏ (12) Có nhiều cách để tăng độ tin cậy phân cụm lõi này, báo đề xuất ba cách:  Cách thứ nhất: sử dụng 1, 2, nút dự phịng lạnh nhƣ cơng thức (9), (10), (11) sử dụng m nút dự phòng cho nút CH (3