nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng mạng manet TT

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VŨ KHÁNH Q NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG MANET Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 9.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tiến Ban PGS.TS Nguyễn Đình Hân Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG vào hồi: Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Với phát triển mạnh mẽ hệ thống thông tin di động, theo báo cáo Cisco vào năm 2017, lưu lượng liệu di động toàn cầu tăng 18 lần vòng năm qua, chiếm 63% tổng lưu lượng mạng đạt 7.2 exabytes tháng với tỉ thiết bị di động tham gia kết nối mạng Dự kiến đến năm 2021, lưu lượng liệu di động toàn cầu tăng lần so với có 11.6 tỉ thiết bị di động tham gia kết nối mạng Trong đó, lưu lượng liệu đa phương tiện chiếm ¾ lưu lượng mạng tồn cầu [18] Do đó, thiết kế mạng di động nhanh hơn, tiết kiệm lượng nhu cầu cấp thiết Các mạng di động tùy biến (Mobile Ad-hoc Networks MANET) đời từ năm 1970 tập thiết bị di động có khả tự cấu hình, thiết lập truyền thơng với mà không dựa vào trạm sở [13], [24], [45] Do linh hoạt việc thiết lập truyền liệu, mạng MANET có nhiều ứng dụng thiết thực phục vụ người lĩnh vực chăm sóc sức khỏe [5], [51], cứu hộ, khắc phục thảm họa [12], [60], giải trí [59], [84], quân [61], giao thông thông minh [20], [56] nhiều lĩnh vực khác [8] Hiệu mạng MANET phụ thuộc vào quy mơ, mơ hình truyền thơng mơi trường giao tiếp vô tuyến Tuy nhiên, với khả lực hạn chế, hiệu MANET nói chung thấp [24], [45], [88] Trong MANET, nút mạng di động phải hợp tác với để truyền gói tin, giao thức định tuyến có vai trị đặc biệt quan trọng vấn đề cải thiện hiệu mạng [82] Các giao thức định tuyến thông thường sử dụng cho MANET AODV hay DSR sử dụng số chặng (hop-count) làm tham số định tuyến không hiệu [24] Khảo sát cho thấy, nhiều nghiên cứu thực để giải vấn đề Tuy nhiên nghiên cứu phù hợp với cấu trúc, ứng dụng mạng cụ thể Do đó, đề xuất giải pháp định tuyến mạnh mẽ, tin cậy, hiệu cao hướng nghiên cứu cấp thiết, thời có tính mở Do vậy, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu mạng MANET” cho luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án đề xuất chế, giao thức nhằm cải thiện hiệu mạng MANET tích hợp, mở rộng khả mạng MANET với mạng đám mây Internet, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ truyền tin mở lực cho MANET Để đạt mục tiêu nêu trên, nhiệm vụ cụ thể cần phải giải bao gồm: (1) Nghiên cứu, đề xuất giao thức định tuyến cải thiện hiệu cho mạng MANET; (2) đề xuất giải pháp nhằm tích hợp, mở rộng khả cho mạng MANET (3) Mô phỏng, đánh giá so sánh hiệu giao thức, giải pháp đề xuất với giao thức, giải pháp truyền thống mạng MANET đề xuất giải pháp áp dụng Từ nhiệm vụ nghiên cứu trên, phương pháp nghiên cứu luận án nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô Về lý thuyết, luận án thực khảo sát, phân tích, tổng hợp đánh giá nghiên cứu liên quan nước, từ xác định vấn đề nghiên cứu khả thi, hệ thống hóa vấn đề cần nghiên cứu, xây dựng mơ hình tốn, đề xuất giải thuật khả thi, mơ phỏng, phân tích đánh giá hiệu giải thuật Cuối cùng, đưa nhận xét, đánh giá dựa kết đạt được; đề xuất khuyến nghị, giải pháp cải thiện hiệu hệ thống Với mục tiêu nghiên cứu nêu trên, kết nghiên cứu luận án gồm ba phần: Mở đầu, Nội dung Kết luận Phần Nội dung gồm 04 chương với nội dung sau: Chương Mạng MANET toán cải thiện hiệu Chương Định tuyến mạng MANET Chương Định tuyến cải thiện hiệu mạng MANET Chương Tích hợp, mở rộng khả MANET CHƯƠNG 1: MẠNG MANET VÀ BÀI TOÁN CẢI THIỆN HIỆU NĂNG 1.1 Mơ hình hệ thống mạng MANET Để trình bày ngun lý ý tưởng giao thức, luận án sử dụng đồ thị có trọng số G để biểu diễn mơ hình mạng MANET sau: Định nghĩa 1.1: Gọi G = (V, E) đồ thị truyền thơng mạng MANET Khi V = {V , , V } tập hữu hạn đỉnh G, E tập hữu hạn cạnh Với cặp nút V , V , có E = V , V hai nút liên kết trực tiếp với Hình 1.1 Mơ hình đồ thị mạng MANET Để biểu diễn khả tính tốn lựa chọn tuyến đường truyền tin phù hợp giao thức, luận án mơ hình hóa kiến trúc liên mạng đồ thị có trọng số Mỗi cạnh E cặp nút V , V thiết lập trọng số W , Ở đây, W , biểu diễn giá trị tham số định tuyến Lưu ý, mạng MANET hai nút mạng có kết nối trực tiếp (tức cạnh đồ thị) kết nối gián tiếp thông qua nút trung gian (tức đường đồ thị) Vì vậy, tuyến đường từ nút nguồn đến nút đích biểu diễn đường đồ thị 1.2 Hiệu mạng MANET 1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng Hiệu mạng MANET bị ràng buộc nhiều yếu tố khác Những vấn đề biết đến toán với độ phức tạp đầy đủ (NP-complete) [24], [45] Để đơn giản hóa, chia yếu tố thành hai loại chính: từ mơi trường ngồi nội mạng 1.2.2 Các tiêu chí đánh giá hiệu thông qua mô Nội dung trình bày tiêu chí đánh giá hiệu thơng qua mơ tỷ lệ phân phối gói tin, trễ trung bình, thơng lượng trungbình, tải định tuyến, tuổi thọ mạng lượng trung bình cịn lại nút mạng 1.3 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Tại Việt Nam kết nghiên cứu liên quan đến hệ thống mạng MANET hạn chế 1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước Khảo sát giao thức định tuyến cho mạng MANET công bố IEEE Xplore Digital Library cho thấy, nhằm cải thiện hiệu cho mạng MANET, nghiên cứu giới tập trung vào số hướng sau: Tiếp cận theo hướng sử dụng MANET đa kênh Tiếp cận theo hướng định tuyến sử dụng đa tham số Tiếp cận theo hướng định tuyến đảm bảo QoS Tiếp cận theo hướng tiết kiệm lượng 1.4 Xác định toán nghiên cứu Dựa khảo sát phân tích tình hình nghiên cứu nước giới, luận án xác định số hướng nghiên cứu nhằm giải toán cải thiện hiệu mạng MANET, sau: Vấn đề thứ nhất: Nghiên cứu đề xuất giao thức định tuyến: - Định tuyến với cấu trúc mạng MANET đa kênh - Định tuyến đa tham số: - Định tuyến đảm bảo QoS Vấn đề thứ hai: Tích hợp, mở rộng khả MANET: - Giải pháp tăng tuổi thọ mạng - Giải pháp phối hợp MANET đám mây Hình 1.6 Xác định toán nghiên cứu 1.7 Kết luận Chương Nội dung Chương trình bày khái qt mơ hình, nguyên lý hoạt động, tham số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống mạng MANET Qua khảo sát, phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu nước giới cho thấy hạn chế nghiên cứu trước vấn đề cải thiện hiệu mạng MANET Trến sở hạn chế này, hướng nghiên cứu luận án xác định đề xuất giao thức định tuyến nhằm cải thiện hiệu cho cấu trúc mạng MANET khác nhau; đề xuất chế, giải pháp nhằm tích hợp, mở rộng khả mạng MANET CHƯƠNG 2: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET Tóm tắt: Trong Chương 2, để làm rõ vấn đề định tuyến nhằm tìm phương thức để giải toán xác định, luận án thực khảo sát tham số giao thức định tuyến gần đề xuất cho mạng MANET Kết cho thấy, nhằm cải thiện hiệu MANET, với cấu trúc, ứng dụng MANET, cần có giải pháp khác nhau, phù hợp với cấu trúc, ứng dụng Khảo sát giao thức định tuyến tiêu biểu MANET cho thấy, giao thức định tuyến AODV cho hiệu mạng ổn định tốt giao thức khác Do đó, cải tiến giao thức AODV nhằm đáp ứng yêu cầu, nhiệm vụ cấu trúc mạng khác phù hợp 2.1 Nguyên lý định tuyến mạng MANET Khảo sát giao thức định tuyến cho MANET, dựa theo phương thức định tuyến, phân giao thức định tuyến vào hai nhóm chính: định tuyến chủ động định tuyến theo yêu cầu 2.2 Khảo sát tham số định tuyến Nội dung phần trình bày đặc điểm tham số định tuyến cho mạng MANET Các tham số định tuyến phân tích, so sánh phân lớp theo hướng tiếp cận lưu lượng, thơng tin vơ tuyến, vị trí di động, lượng 2.3 Bài toán lựa chọn tham số định tuyến 2.3.1 Đơn tham số Các thuật tốn tính chi phí tuyến đường dựa đơn tham số Hopcount delay biết đến sử dụng rộng rãi mạng Để ánh xạ nhiều điều kiện ràng buộc vào tham số nhất, cách tiếp cận khả thi trộn yều cầu chất lượng dịch vụ vào thành yêu cầu nhất, từ ánh xạ thành tham số định tuyến 2.3.2 Đa tham số Gọi , chi phí liên kết ( , ) , thuộc tuyến đường { , , , … , , } tập nút mạng tuyến đường Định nghĩa 2.1: Chi phí tuyến đường p tổng (Additive), nếu: = , + , + + , = (2.21) Định nghĩa 2.2: Chi phí tuyến đường p tích (Multiplicative), = , × , ×…× , (2.22) Định nghĩa 2.3: Chi phí tuyến đường p cực tiểu (Minimum), = { , , , ,…, , } (2.23) Trong [24], [45], nghiên cứu ra, có nhiều tham số kiểu additive multiplicative tham gia, toán xác định tuyến đường tối ưu có độ phức tạp NP-Complete Do đó, nghiên cứu thường tìm cách hạn chế tham số ràng buộc để đưa dạng tốn giải thời gian thực 2.4 Các phương thức thu nhận thông tin định tuyến Phần trình bày phương thức thu nhận thông tin định tuyến mạng MANET 2.5 Các giao thức định tuyến tiêu biểu cho mạng MANET 2.5.1 Giao thức định tuyến AODV DSR 2.5.2 Giao thức định tuyến OLSR DSDV 2.5.3 So sánh hiệu giao thức Kết mô cho thấy, điều kiện mạng có lưu lượng tốc độ di động thấp, giao thức định tuyến chủ động OLSR hoạt động tốt Tuy nhiên, lưu lượng mạng tốc độ di chuyển nút mạng tăng cao, giao thức định tuyến theo yêu cầu AODV có số hiệu vượt trội so với giao thức cịn lại Hơn thế, chi phí tải định tuyến giao thức theo yêu cầu thấp nhiều so với giao thức chủ động Điều phản ánh khả tiết kiệm lượng giao thức định tuyến theo yêu cầu so với giao thức định tuyến chủ động 2.6 Kết luận Chương Do thuộc tính tự tổ chức MANET, định tuyến coi vấn đề đầy thách thức Khảo sát tham số giao thức định tuyến cung cấp cách thức để thiết kế giao thức định tuyến cho MANET Trong chương này, luận án tiến hành khảo sát tham số giao thức định tuyến đề xuất cho mạng MANET công bố sở liệu thư viện số IEEE Xplore giai đoạn 2010- 2017 Kết cho thấy, cải thiện hiệu hướng nghiên cứu cấp thiết, định tuyến vấn đề việc nâng cao hiệu MANET Hơn thế, nghiên cứu ln có tính kế thừa, đó, đa số giao thức đề xuất cho MANET cải tiến dựa giao thức định tuyến tiêu biểu biết So sánh hiệu số giao thức tiêu biểu cho MANET kịch khác di động lưu lượng mạng cho thấy, giao thức AODV có hiệu tương đối ổn định đa số kịch Do đó, nghiên cứu, đề xuất giao thức định tuyến sở cải tiến từ giao thức AODV hướng nghiên cứu khả thi CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN CẢI THIỆN HIỆU NĂNG MẠNG MANET Tóm tắt: Như đề cập Chương 2, định tuyến vấn đề để cải thiện hiệu mạng MANET Trong Chương 3, luận án đề xuất ba thuật toán định tuyến nhằm cải thiện hiệu cho ba cấu trúc MANET khác nhau, cụ thể sau: (1) Cải thiện hiệu mạng MANET hoạt động đa kênh, tiếp cận theo hướng tác tử di động, cải tiến từ AODV [J2]; (2) Cải thiện hiệu mạng MANET đơn kênh, tiếp cận theo hướng đa tham số với hàm tính chi phí dựa vào tập gồm ba tham số: độ dài hàng đợi, chất lượng tuyến đường số chặng, cải tiến từ AODV [C2]; Cuối cùng, để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho ứng dụng đa phương tiện hoạt động mạng MANET, luận án đề xuất giao thức Q-AODV [J3] 3.1 Giao thức định tuyến A-WCETT 3.1.1 Cách tiêp cận ý tưởng thiết kế Nhằm cải thiện hiệu mạng MANET hoạt động đa kênh (MANET đa kênh), Draves nhóm nghiên cứu [71] đề xuất giao thức định tuyến WCETT với mục đích đặc biệt giảm nhiễu đồng kênh Giải pháp đưa cố gắng hạn chế nút sử dụng kênh toàn tuyến Kỹ thuật cụ thể dùng trọng số bình quân ( ) để cân tổng chi phí tồn tuyến với ảnh hưởng kênh bị thắt nút cổ chai Về chi tiết, tài liệu số [71] không đưa cách xác định giá trị (xem Mục 2.2.2.7) Luận án đề xuất thiết lập giao thức định tuyến mới, gọi A-WCETT sở mở rộng WCETT để lựa chọn tuyến đường cho mạng MANET 3.1.2 Tham số định tuyến Trong giao thức AODV [10], chi phí tuyến đường tính tổng số chặng từ nguồn đến đích Để cải thiện hiệu mạng MANET, Couto cộng [19] đề xuất tham số định tuyến ETX (Mục 2.2.2.5) Để xác định ETX, nút gửi gói tin thăm dị tới nút láng giềng Dựa vào số gói tin thăm dị gửi số gói tin phản hồi nhận được, nút đánh giá khả truyền tin thành công Lần lượt ký hiệu xác suất gửi gói liệu thành cơng xác suất gói tin ACK nhận Khi đó, xác suất kiện truyền/nhận thành công liên kết × Số lần truyền dự kiến liên kết hai nút liên kết xác định theo cơng thức sau: = × ETX tuyến đường p, tổng ETX liên kết l, với ∈ (3.1) 10 Thuật toán 3.1: Thuật toán lựa chọn tuyến đường A-WCETT 10 11 12 13 14 15 16 If link[j].chanel=k then X[k]=X[k]+ETT[j] endfor =Total/max(X[k]) Calculator(A-WCETT[i]) //Theo công thức (3.5) endfor Cost = ∞ for each p in P If Cost< A-WCETT[p] then Cost=A-WCETT[p]; Selectedroute=rouset[p] return(Selectedroute, Cost) 3.1.4 Đánh giá hiệu Từ kết mô cho thấy: giao thức A-WCETT cải thiện độ trễ thông lượng tốt giao thức WCETT tối ưu tham số Hai giao thức A-WCETT WCETT hoạt động đa kênh nên tăng thông lượng giảm tắc nghẽn tồn hệ thống Nhờ cải tiến mà chúng đạt thời gian trễ thấp thông lượng cải thiện so với giao thức AODV 3.2 Giao thức định tuyến MM-AODV 3.2.1 Cách tiếp cận ý tưởng thiết kế Nhằm cải thiện hiệu cho mạng MANET đa tham số, luận án đề xuất giao thức định tuyến, cải tiến từ AODV gọi MM-AODV Hàm tính chi phí kết hợp ba tham số: độ dài hàng đợi nút mạng, chất lượng liên kết số chặng để định chọn tuyến đường Hơn thế, luận án thiết lập tham số hiệu (∝, , ) Tùy theo giá trị hệ số thiết lập, giao thức MM-AODV lựa chọn chế định tuyến dựa trên: Số chặng nhỏ (∝= 1), Chất lượng tuyến đường ( = 1) hay Độ dài hàng đợi ( = 1) lựa chọn chế với hệ số cân (∝= = = 1/3) Các vấn đề chi tiết luận án trình bày sau 3.2.2 Tham số định tuyến Để cải thiện hiệu mạng, luận án đề xuất hàm tính chi phí với ba tham số định tuyến sau: ( ): Là số chặng nút nguồn nút đích tuyến đường p 11 Chất lượng liên kết ( ) : Tham số mô tả Mục 2.2.2.5 Lần lượt ký hiệu xác suất gửi nhận gói tin thành cơng liên kết Khi đó, xác suất dự kiến truyền/nhận thành cơng gói tin liên kết (một kết nối hai nút liền kề) xác định sau: = (3.6) × ETX tuyến đường, tổng ETX liên kết tuyến Độ dài hàng đợi ( ) : Tỷ lệ độ dài hàng đợi nút mạng i đánh giá theo công thức sau: () = (3.7) Trong đó, số gói tin hàng đợi lớp MAC kích cỡ hàng đợi lớn nút 3.2.3 Đặc tả giao thức Cũng giống giao thức AODV, MM-AODV giao thức định tuyến theo yêu cầu, hoạt động dựa nguyên lý, có yêu cầu truyền liệu, nút nguồn khám phá xác định tuyến đường từ nút nguồn đến nút đích Tiến trình khám phá tuyến đường bắt đầu với việc nút nguồn gửi quảng bá gói tin tìm đường RREQ với phần tiêu đề thay đổi sau {ETX, LQ, AODV RREQ Header}, tham số h nhận giá trị từ trường Hop-count phần tiêu đề mặc định AODV Sau đó, gói tin chuyển tiếp thông qua nút trung gian để tới nút đích Một điểm khác so với phương thức gửi gói tin RREQ giao thức AODV truyền thống là, nút trung gian, nhận gói tin RREQ, nút trung gian tiến hành cập nhật giá trị ETX LQ Để tính chi phí tuyến đường, luận án đề xuất hàm chi phí sau: ( ) = ∝× ℎ( ) + × ∝ + + + × =1 ( ) ( ) (3.8) Do đó, chi phí tuyến đường p có D chặng xác định sau: ( ) =∑ ( ) (3.9) 12 Dựa vào chi phí ( ), nút đích chọn tuyến có chi phí thấp Thuật tốn lựa chọn tuyến đường MM-AODV mô tả mã giả: Thuật toán 3.2: Thuật toán lựa chọn tuyến đường MM-AODV P=routeset(S,D) Cost=∞, Selectedroute={∅} Setup performance factors ( , , ) for each p in P Calculator(CP[p]) //Theo công thức (3.9) endfor Cost=min(CP[p]) Selectedroute=routeset[p] return(Selectedroute, Cost) 3.2.3 Đánh giá hiệu Các kết mô cho thấy, số kết nối đầu-cuối thấp, chế định tuyến dựa số chặng (∝= 1) phát huy ưu điểm cho tiêu chí hiệu cao Tuy nhiên, lưu lượng truyền mạng tăng lên, tượng xung đột tắc nghẽn thường xuyên xảy với mức độ ngày tăng Khi đó, chế định tuyến với số chặng bộc lộ hạn chế, dẫn đến hiệu bị suy giảm nhanh Ngược lại, chế định tuyến dựa vào chất lượng tuyến đường hay độ dài hàng đợi phối hợp tham số phát huy ưu điểm Kết cho thấy, giao thức định tuyến MMAODV với hệ số cân (∝= = = 1/3) thu hiệu tốt so với chế định tuyến mô 3.3 Giao thức Q-AODV 3.3.1 Cách tiếp cận ý tưởng thiết kế Để đảm bảo QoS cho ứng dụng Multimedia-MANET, điều kiện ràng buộc chất lượng dịch vụ cần ánh xạ thành tham số định tuyến tham gia vào định lựa chọn tuyến đường Khi có nhiều tham số định tuyến có kiểu additive multiplicative tham giao vào trình xác định tuyến đường, tốn xác định tuyến đường tối ưu có độ phức tạp NP Để giải vấn đề đó, luận án đề xuất giao thức định tuyến sử dụng hai tham số băng thông (kiểu additive) trễ (kiểu minimum) Để đảm bảo giao thức định tuyến tùy chỉnh phù hợp 13 với ứng dụng Multimedia-MANET khác nhau, luận án đề xuất giao thức định tuyến hoạt động theo hai mơ hình, sau: Mơ hình thích nghi (Adaptive Model): Cung cấp tuyến đường có băng thơng trễ tốt Mơ hình cam kết (Admission Model): Cung cấp tuyến đường có băng thơng thỏa mãn điều kiện tối thiểu có trễ tốt 3.3.2 Tham số định tuyến Các tham số băng thông trễ phản ánh số đặc điểm tuyến đường mạng Chúng ta xem băng thơng trễ độ rộng chiều dài tuyến đường Nói cách khác, tốn định tuyến cho ứng dụng Multimedia-MANET nhằm mục đích tìm tuyến đường mạng, thỏa mãn ràng buộc dài rộng Sử dụng tham số định tuyến băng thông trễ phương thức thỏa hiệp tốc độ di chuyển chiều dài tuyến đường Do đó, nghiên cứu này, hai tham số định tuyến chọn băng thông (kiểu additive) trễ (kiểu minimum) mô tả Mục 2.2.2.1 Mục 2.2.2.3 3.3.3 Đặc tả giao thức Q-AODV giao thức định tuyến theo yêu cầu Tiến trình khám phá tuyến đường bắt đầu với việc nút nguồn gửi quảng bá gói tin tìm đường RREQ với phần tiêu đề thay đổi sau {Model-Flag, Bandwidth Request, Bandwidth, Delay Request, Delay, AODV RREQ Header} Sau đó, gói tin chuyển tiếp thơng qua nút trung gian để tới nút đích Một điểm khác so với phương thức gửi gói tin RREQ giao thức AODV truyền thống là, nút trung gian, nhận gói tin RREQ, nút trung gian tiến hành thủ tục Quality-check, Hình 3.9 nhằm hai mục đích: (1) Thực loại bỏ tuyến đường không thỏa mãn điều kiện băng thông trễ theo yêu cầu Điều giúp giảm băng thông, lượng tiêu thụ chi phí định tuyến vào hoạt động khơng cần thiết (2) Tính tốn băng thông trễ tuyến đường Băng thông trễ liên kết xác định dựa vào thơng tin gói Hello [46] Sau hồn thành thủ tục này, bị ảnh hưởng nhiễu can thiệp trình truyền liệu, luận án đề xuất sử dụng hàm (Min- 14 Bandwidth) nhằm tính giới hạn băng thơng tồn tuyến Cuối cùng, nút đích gửi định danh gói tin RREP với phần tiêu đề sửa đổi {Bandwidth, Delay, AODV RREP Header} đến nút nguồn Sau nhận tập tuyến đường ứng viên Để xác định tuyến đường thỏa mãn điều kiện ràng buộc, hàm tính chi phí tuyến đường xác định sau Gọi Delay(p) Bandwidth(p), trễ đầu-cuối băng thông, thu từ gói RREP Hàm chi phí tuyến p tính sau: _ _ ℎ( ) ( ) = ( ) (3.10) Đặt _ tổng số tuyến đường tập chi phí tuyến đường ứng viên thỏa mãn điều kiện (1), thu được: _ _ ⎧ ⎪ ⎪ _ = _ _ ℎ( ℎ( ) ) ⎨ ⎪ ⎪ ⎩ _ _ _ = ℎ( ℎ( _ ( _ ) (3.11) (3.12) ) ) Theo đó, tuyến đường tối ưu xác định theo công thức (3.12) Hoạt động giao thức Q-AODV mơ tả mã sau: Thuật tốn 3.3: Thuật toán lựa chọn tuyến đường Q-AODV P=routeset(S,D) // Công thức (3.12) Cost=∞, Selectedroute={∅} for each p in P if Cost>Cost_Delay_Bandwidth(p) then Cost=Cost_Delay_Bandwidth(p) Selectedroute=routeset(p) end if 10 end for 11 return (Selectedroute, Cost) 15 3.3.3 Đánh giá hiệu Kết mô cho thấy, giao thức đề xuất Q-AODV hoạt động tốt hai mơ hình Adaptive Admission Để đánh giá hiệu giao thức đề xuất, kịch mô với thay đổi mức độ di động nút mạng theo hai mô hình Adaptive Admission thiết lập Kết cho thấy, giao thức đề xuất cải thiện tiêu chí hiệu đáng kể so với giao thức truyền thống AODV DSR mơ hình Adaptive Trong mơ hình Admission, Q-AODV cải thiện tiêu chí tỷ lệ phân phối gói tin, trễ tải định tuyến tốt so với mơ hình Adaptive 3.4 Kết luận Chương Do cấu trúc mạng động, định tuyến vấn đề mạng MANET Hiệu MANET phục thuộc vào cấu trúc, vị trí triển khai, kiểu ứng dụng mạng; thuộc tính lực nút mạng Trong phần này, luận án đề xuất ba giao thức định tuyến nhằm cải thiện hiệu cho ba cấu trúc mạng cụ thể, gồm: (1) Giao thức định tuyến A_WCETT cho mạng hoạt động đa kênh [J2]; (2) Giao thức MM-AODV cho mạng MANET đa tham số [C2]; (3) Giao thức Q-AODV cho ứng dụng Multimedia-MANET [J3] Kết đánh giá so sánh hiệu số kịch cụ thể cho thấy, giao thức định tuyến đề xuất cải thiện hiệu so với giao thức định tuyến truyền thống MANET CHƯƠNG 4: ĐỊNH TUYẾN NÂNG CAO TUỔI THỌ MẠNG MANET Tóm tắt: Trong chương này, luận án đề xuất 02 giải pháp nhằm tích hợp, mở rộng để đem đến lực khả cho MANET, cụ thể sau: (1) Giải pháp nâng cao tuổi thọ MANET, mà cụ thể đề xuất giao thức định tuyến tiết kiệm lượng AERP [J4] Dựa AERP, luận án tiếp tục đề xuất giao thức định tuyến HPLR, cải tiến từ AERP nhằm sử dụng lượng hiệu cải thiện hiệu cho MANET [C4] (2) Cơ chế hợp tác máy chủ cho mạng Cloud-assited MANET [C3] 16 4.1 Định tuyến tiết kiệm lượng 4.1.1 Giới thiệu Định tuyến tiết kiệm lượng điều kiện quan trọng thiết kế giao thức định tuyến cho mạng MANET Do nút mạng di động sử dụng pin với mức lượng lưu trữ giới hạn Một nút mạng hết lượng khơng ảnh hưởng đến mà cịn ảnh hưởng đến khả chuyển tiếp gói tin nút khác hiệu tuổi thọ toàn hệ thống Một hướng tiếp cận quan trọng phân phối tải Mục tiêu phân phối tải cân việc sử dụng lượng nút tối đa hóa tuổi thọ mạng cách tránh sử dụng nút có mức lượng thấp lựa chọn tuyến đường trình định tuyến [27], [34] Trong phần này, luận án đề xuất: (1) Giao thức định tuyến AERP nhằm cải thiện hiệu sử dụng lượng cho mạng MANET (2) Giao thức định tuyến HPLR, sở cải tiến từ giao thức AERP nhằm cải thiện tuổi thọ đảm bảo hiệu mạng MANET 4.1.2 Giao thức định tuyến AERP 4.1.2.1 Mơ tả giao thức Hình 4.2 Thủ tục Energy-check 17 Giống AODV, giao thức AERP hoạt động với tiến trình xác định tuyến đường AODV mở rộng Tiến trình khám phá tuyến đường bắt đầu với việc nút nguồn gửi quảng bá gói tin tìm đường RREQ với phần tiêu đề bổ sung hai trường {Total Remaining Energy, Min Remaining Energy, AODV RREQ} Một điểm khác so với phương thức chuyển tiếp gói tin RREQ truyền thống AODV nút trung gian, nhận gói tin RREQ, nút thực thủ tục, đặt tên Energy-check mơ tả Hình 4.2 4.1.2.2 Tham số định tuyến lựa chọn tuyến đường Để tính chi phí của tuyến đường ∈ có số chặng h, luận án đề xuất cơng thức tính dựa tổng mức lượng tiêu thụ (TCE) sau: =∑ ) (1 − Trong đó: lượng cịn lại nút i, ban đầu nút ℎ số chặng (4.1) lượng khởi tạo Tuy nhiên, cơng thức (4.1) có điểm hạn chế khơng loại bỏ tuyến có tổng lượng tồn tuyến cao lại chứa nút có mức lượng cạn kiệt Do đó, tuổi thọ mạng ngắn Để giải vấn đề này, luận án định nghĩa hàm chi phí AERP sau: = + 1− (4.2) Bằng cách đưa tham số mức lượng thấp vào cơng thức (4.2), xem nỗ lực để cân ảnh hưởng tổng lượng toàn tuyến lượng thấp tuyến Bảng 4.1 Minh họa phương thức tính AERP Tuyến h+1 5 ℎ+1 0.65 0.38 0.36 0.56 1− 0.80 0.50 0.50 0.60 1.45 0.88 0.86 1.16 18 Bảng 4.1 minh họa phương pháp tính giá trị AERP theo công thức (4.2) Kết cho thấy tuyến số (AERP = 0.86) chọn để truyền liệu 4.1.3 Giao thức định tuyến HPLR Để cân vấn đề cải thiện hiệu tuổi thọ MANET, luận án đề xuất giao thức định tuyến HPLR, cải tiến từ giao thức AERP (Mục 4.1.2) với trọng tâm cải tiến thuật tốn để chọn tuyến đường có độ trễ thấp cải thiện tuổi thọ mạng cao 4.1.3.1 Thuật tốn chọn tuyến đường Khơng giống thuật toán lựa chọn tuyến đường AERP, HPLR, sau xác định tập tuyến đường ứng viên, nút nguồn thực thuật toán chọn tuyến đường phù hợp với hai ràng buộc sau: 1) Để đảm bảo tính hiệu thuật toán, luận án áp dụng kỹ thuật đề xuất gần nhằm giới hạn số tuyến ứng viên [3] Chỉ ứng viên có số hopcount nằm khoảng [ , ] xem xét Trong đó, , số chặng tuyến đường ứng viên ngắn cặp nút nguồn-đích (S, D) xác định sau: = + (4.3) Về lý thuyết, = + ε, đó, ε số thực dương Tuy nhiên, với nhiều thực nghiệm khảo sát số nghiên cứu khác, nghiên cứu sinh nhận thấy giá trị ε = phù hợp Kết là, kỹ thuật nhằm giới hạn số hữu hạn tuyến đường cần xem xét Nói cách khác, ngầm ưu tiên tuyến đường có độ trễ thấp 2) Để thu tuyến đường ứng viên giàu lượng hơn, hàm chi phí HPLR định nghĩa sau: = × ℎ+1 + (1 − ) × − (4.4) Trong đó, hệ số cân bằng, có giá trị khoảng [0,1] Có hai cách để hiểu cơng thức (4.4) Trước hết, coi cân tổng dung lượng pin lại tuyến dung lượng pin nhỏ lại Thứ hai, cho thấy mối quan hệ nút có ảnh hưởng với nút khác tuyến Nói cách khác, thực thi sách ưu tiên nút có mức lượng cạn kiệt Chi tiết thuật toán lựa chọn tuyến đường mô tả mã giả 19 Thuật toán 4.1: Thuật toán định tuyến HPLR P=routeset (S,D) minhop=min(routeset(S,D).hopcount) maxhop=minhop+2 validRoute=∅ for each p in P if minhop ≤ p.hopcount ≤ maxhop then validRoute  p endif end for |==1 then return 10 If | 11 return TheMin_HPLR_Route in 4.1.5 Kết mơ phân tích Kết mô cho thấy AERP cải thiện tuổi thọ tỷ lệ phân phối gói tin so với giao thức định tuyến truyền thống cho MANET AODV Hơn thế, nhận thấy hạn chế AERP, nhằm cải thiện hiệu cho MANET, luận án tiếp tục đề xuất giao thức định tuyến HPLR, cải tiến từ AERP Kết mô cho thấy, HPLR cải thiện đáng kể tiêu chí hiệu tuổi thọ mạng so với giao thức AERP AODV 4.2 Giải pháp phối hợp mạng MANET đám mây 4.2.1 Giới thiệu Hình 4.9 Mơ hình kiến trúc mạng Cloud-assited MANET 20 Kết hợp đám mây mạng MANET tạo thành kiến trúc mạng MANET hỗ trợ đám mây, cịn gọi Cloud-assited MANET (Hình 4.9) xu hướng công nghệ tất yếu, nhận quan tâm đặc biệt nhà cung cấp dịch vụ cộng đồng nghiên cứu [29], [32], [39], [55] Tuy nhiên, thực tế đặt là: mạng MANET khơng có cấu trúc cố định, cấu hình liên tục biến đổi thường xuyên kết nối [39], [55] Đây thách thức giải pháp kết hợp đám mây cho MANET Để giải vấn đề này, luận án đề xuất chế hợp tác máy chủ đám mây Cơ chế cho phép máy chủ đám mây hợp tác để chia sẻ trì thơng tin liệu, dịch vụ sử dụng MANET Những số liệu thu từ mơ chứng minh tính hiệu chế đề xuất 4.2.2 Đề xuất chế phối hợp máy chủ Để giảm chi phí thực giao dịch tìm kiếm dịch vụ cho Cloud-assited MANET, chế hợp tác Super-Peer đề xuất Cơ chế hoạt động tầng ứng dụng bao gồm ba thủ tục sau: 1) Thủ tục Thông báo Dịch vụ (TBDV) nhằm thông báo đến SuperPeer khác vùng phủ thay đổi vai trò từ máy chủ đám mây trở thành Super-Peer 2) Thủ tục Cập nhật Dịch vụ (CNDV) để cập nhật đồ thông tin nội dung sở liệu 21 3) Thủ tục Điều phối Dịch vụ (ĐPDV) để trực tiếp yêu cầu dịch vụ từ máy chủ đám mây khác thông qua đám mây, để chia sẻ sở liệu với Super-Peer khác 4.2.3 Phân tích hiệu chế đề xuất Để tính hiệu chế đề xuất, luận án đề xuất mơ hình tính chi phí cho yêu cầu dịch vụ xuất phát từ MANET lên đám mây sau: Giả thiết có n nút super-peer mơ hình đề xuất Tuyến đường nút nguồn nút đích tồn k máy chủ đám mây ( = 1, … , ; < ) ′ , chi phí thời gian để định tuyến hai nút lân cận tìm kiếm dịch vụ yêu cầu nút , chi phí tiêu thụ lượng để thực dịch vụ định tuyến tìm kiếm đơn vị thời gian Vậy chi phí thời gian lượng tiêu thụ để thực yêu cầu dịch vụ theo chế thơng thường tính sau: = =∑ ×∑ ( + ′) + ×∑ ′ (4.5) Với chế đề xuất, nhờ trì đồ thơng tin nút superpeer, Chi phí thời gian lượng tiêu thụ để thực yêu cầu dịch vụ theo chế đề xuất tính sau: = = ′ + ′ +∑ ×∑ + ×( ′ + ′ ) (4.6) 4.2.4 Đánh giá hiệu Để kiểm định tính hiệu chế đề xuất Một mô thiết lập để đánh giá tổng chi phí thực q trình tìm kiếm dịch vụ 4.2.4.1 Mơ hình tính tốn chi phí Nội dung phần trình bày ví dụ minh họa phương thức tính chi phí thực giao dịch tìm kiếm 4.2.4.2 Mơ phân tích kết Kết mơ cho thấy, giải pháp đề xuất có chi phí thực giao dịch tìm kiếm trung bình thấp gần lần so với phương pháp thông thường hai trường hợp Chi phí 100% trường hợp xấu nhất, 22 mạng phải thực tìm kiếm tồn đám mây Đạt kết chế đề xuất loại bỏ giao dịch tìm kiếm dư thừa 4.4 Kết luận Chương Trong chương này, luận án đề xuất 02 giải pháp: (1) Giải pháp tăng tuổi thọ mạng MANET, mà cụ thể giao thức định tuyến tiết kiệm lượng AERP [J4] Để đảm bảo cân tiết kiệm lượng hiệu năng, giao thức HPLR đề xuất, cải tiến từ AERP [C4] (2) Giải pháp kết hợp với đám mây để mở rộng không gian cho mạng MANET mà cụ thể Cơ chế phối hợp máy chủ đám mây cho mạng Cloud-assited MANET nhằm giảm chi phí thực giao dịch tìm kiếm mạng [C3] Kết đánh giá so sánh hiệu số kịch mô cụ thể cho thấy, giao thức định tuyến chế đề xuất mở rộng thời gian/khơng gian hoạt động cuả MANET, từ cải thiện hiệu năng/hiệu MANET so với giao thức hay giải pháp truyền thống KẾT LUẬN Nội dung luận án đạt mục tiêu đề nghiên cứu đề xuất giao thức, giải pháp để cải thiện hiệu mạng MANET Các kiến thức tảng kết nghiên cứu trình bày luận án với bố cục gồm bốn chương sau: (1) Mạng MANET toán cải thiện hiệu năng; (2) Định tuyến mạng MANET; (3) Định tuyến cải thiện hiệu mạng MANET (4) Định tuyến nâng cao tuổi thọ mạng MANET Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành hai nhóm I Đề xuất giao thức định tuyến mới, cải thiện hiệu MANET Trong phần gồm kết nghiên cứu: 1) Đề xuất giao thức định tuyến A-WCETT 2) Đề xuất giao thức định tuyến đa chi phí MM-AODV 3) Đề xuất giao thức định tuyến Q-AODV II Đề xuất giải pháp mở rộng khả năng, nâng cao tuổi thọ mạng MANET Trong phần gồm kết nghiên cứu: 1) Đề xuất giải pháp tăng tuổi thọ mạng MANET 2) Giải pháp phối hợp mạng MANET đám mây 23 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Trên sở kết đạt trình thực nghiên cứu luận án, nghiên cứu sinh nhận thấy số hướng phát triển tiếp theo: - Tiếp tục nghiên cứu đánh giá hiệu năng, tính khả thi áp dụng giải pháp, giao thức đề xuất lĩnh vực cứu hộ, điều khiển giao thông ứng dụng thông minh môi trường IoT - Các giao thức đề xuất cở sở cải tiến từ giao thức AODV, nhiên, chế, mơ hình thuật tốn hồn tồn áp dụng đối các giao thức sở khác DSR Từ đây, hình thành lớp toán theo hướng nghiên cứu cải tiến, mở rộng giao thức định tuyến khác cho mạng MANET Song song với hướng nghiên cứu phát triển, luận án nhận thấy số điểm hạn chế, cần tiếp tục nghiên cứu thời gian tiếp theo: - Khi thêm trường để lưu thông tin vào phần tiêu đề gói tin điều khiển dẫn đến kích thước gói tin bị tăng lên, tiêu tốn thêm băng thơng, tài ngun lượng Do đó, cần tiếp tục xem xét cụ thể ảnh hưởng vấn đề - Hiệu mạng MANET bị ảnh hưởng lớn cấu trúc, tính di động mật độ nút mạng Với thời gian có hạn, luận án chưa xem xét hết trường hợp, đó, đánh giá hiệu giao thức đề xuất kịch khác cần tiếp tục nghiên cứu - Một điểm hạn chế đề xuất chế hợp tác cho cấu trúc mạng Cloudassited MANET chưa đánh giá chi phí thiết lập, vận hành chế việc tổ chức, lưu trữ đồ thông tin - Vấn đề bảo mật thông tin định tuyến chưa xem xét Rõ ràng, nút mạng độc tham gia vào mạng quảng bá thông tin định tuyến giả mạo nguyên nhân khiến cho mạng bị cơng - Ngồi ra, vấn đề phân tích, đánh giá độ phức tạp giải thuật nghiên cứu sinh tiếp tục thực nghiên cứu 24 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ BÀI BÁO KHOA HỌC Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Vi Hoai Nam, Dao Minh Tuan, Nguyen Dinh Han, “Survey of Recent Routing Metrics and Protocols for [J1] Mobile Ad-Hoc Networks”, Journal of Communications (Scopus), Vol 14, No 2, pp 110-120, 2019 [J2] [J3] [J4] Vũ Khánh Quý, Nguyễn Đình Hân, Nguyễn Tiến Ban, “A-WCETT: Giao thức cải thiện hiệu mạng MANET 5G dựa tác tử di động”, Tạp chí CNTT & TT, Chuyên san cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT & TT, số 17(37), pp 14-21, 2017 Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Nguyen Dinh Han, “A HighPerformance Routing Protocol for Multimedia Applications in MANETs”, Journal of Communications (Scopus), Vol 14, No 4, pp 267-274, 2019 Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Nguyen Dinh Han, “An Advanced Energy Efficient and High Performance Routing Protocol for MANETs in 5G”, J.Comm (Scopus), Vol 13, No 12, pp 743-749, 2018 HỘI NGHỊ KHOA HỌC [C1] Vũ Khánh Quý, Nguyễn Tiến Ban, Nguyễn Đình Hân, “Phân tích hiệu mạng MANET sử dụng giao thức định tuyến AODV, DSR, OLSR DSDV”, Hội nghị FAIR’11, 2018, pp 404-412 [C2] Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Nguyen Dinh Han, “A Multi-Metric Routing Protocol to Improve the Achievable Performance of Mobile Ad Hoc Networks”, 10th Inter Conf on Intelligent Information and Database (ACIIDS, Scopus), Springer, 2018, pp 445-453 [C3] Vũ Khánh Quý, Nguyễn Đình Hân, “Cơ chế hợp tác hiệu cho mạng MANET hỗ trợ đám mây”, Hội nghị FAIR’8, 2015, pp 102-111 [C4] Vu Khanh Quy, Nguyen Tien Ban, Nguyen Dinh Han, “A High Performance and Longer Lasting Network Lifetime Routing Protocol for MANETs”, 10th International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC 2018), IEEE Xplore, 2018, pp 237-241 ... Chương Mạng MANET toán cải thiện hiệu Chương Định tuyến mạng MANET Chương Định tuyến cải thiện hiệu mạng MANET Chương Tích hợp, mở rộng khả MANET CHƯƠNG 1: MẠNG MANET VÀ BÀI TOÁN CẢI THIỆN HIỆU NĂNG... tính mở Do vậy, nghiên cứu sinh chọn đề tài ? ?Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu mạng MANET? ?? cho luận án Mục tiêu nghiên cứu luận án đề xuất chế, giao thức nhằm cải thiện hiệu mạng MANET tích hợp,... đề nghiên cứu đề xuất giao thức, giải pháp để cải thiện hiệu mạng MANET Các kiến thức tảng kết nghiên cứu trình bày luận án với bố cục gồm bốn chương sau: (1) Mạng MANET toán cải thiện hiệu năng;