Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng chất lượng liên kết và cải tiến thuật toán chọn đường cho giao thức AODV

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Phạm Thị Hồng An NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN CHỌN ĐƢỜNG CHO GIAO THỨC AODV LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Phạm Thị Hồng An NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN CHỌN ĐƢỜNG CHO GIAO THỨC AODV Ngành: Khoa học máy tính Mã số: 8480101 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS NGUYỄN VĂN TAM Thái Nguyên - 2019 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập rèn luyện Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, biết ơn kính trọng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Khoa Công nghệ thông tin thuộc Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Ngun thầy, giáo nhiệt tình hƣớng dẫn, giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn Văn Tam, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ em trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện sát, nghiên cứu để hoàn thành đề tài Tuy nhiên điều kiện lực thân hạn chế, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn tơi đƣợc hồn thiện Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày … tháng … năm 2019 Học viên Phạm Thị Hồng An MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 1.1 Giới thiệu mạng MANET 1.1.1 Khái niệm mạng MANET 1.1.2 Đặc điểm mạng MANET 1.1.3 Ứng dụng mạng MANET 1.2 Định tuyến mạng MANET 1.2.1 Những yêu cầu giao thức định tuyến mạng MANET 1.2.2 Một số chiến lƣợc định tuyến mạng MANET 1.3 Giao thức định tuyến AODV 16 1.3.1 Giới thiệu giao thức AODV 16 1.3.2 Cơ chế hoạt động giao thức AODV 17 1.4 Một số nghiên cứu cải tiến giao thức AODV 26 1.4.1 Đảm bảo tính sẵn sàng chuyển tiếp liệu 26 1.4.2 Tiết kiệm lƣợng tăng độ bền vững đƣờng 29 1.4.3 Hỗ trợ chất lƣợng dịch vụ 32 1.4.4 Đảm bảo an ninh định tuyến 33 1.4.5 Đánh giá cải tiến giao thức AODV 35 1.5 Tổng kết Chƣơng 36 CHƢƠNG CẢI TIẾN GIAO THỨC AODV TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT 38 2.1 Ƣớc lƣợng trễ liên kết sở thời gian phục vụ 38 2.1.1 Phân tích độ trễ liên kết theo mơ hình DCF 38 2.1.2 Ƣớc lƣợng độ trễ liên kết theo thời gian phục vụ 39 2.2 Cải tiến giao thức AODV 44 2.2.1 Mơ hình hoạt động định tuyến xuyên tầng 44 2.2.2 Module đo mức độ sử dụng kênh truyền 45 2.2.3 Module ƣớc lƣợng tỷ lệ lỗi frame liên kết 48 2.2.4 Module định tuyến 52 2.3 Tổng kết Chƣơng 56 CHƢƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 58 3.1 Kịch mô 58 3.2 Các kết đánh giá 60 3.2.1 Thơng lƣợng trung bình 60 3.2.2 Tỷ lệ truyền gói thành cơng 62 3.2.3 Trễ truyền gói trung bình 64 3.2.4 Tải định tuyến 66 3.3 Tổng kết Chƣơng 68 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 MỞ ĐẦU Đƣợc hình thành kết nối tạm thời nút mạng di động khơng có hỗ trợ sở hạ tầng mạng cố định, mạng MANET có nhiều đặc điểm khác biệt so với mạng không dây có dây truyền thống làm nảy sinh nhiều thách thức hƣớng nghiên cứu khác nhau: vấn đề định tuyến hiệu topo mạng thay đổi, đảm bảo chất lƣợng dịch vụ theo yêu cầu từ chƣơng trình ứng dụng, đảm bảo an ninh mạng, tiết kiệm lƣợng, khả tự tổ chức, chuyển đổi dịch vụ từ mơ hình client-server đảm bảo hiệu kích thƣớc mạng thay đổi Kết nghiên cứu phân loại đánh giá số lƣợng nghiên cứu theo hƣớng khác mạng MANET thời gian gần cho thấy, hƣớng nghiên cứu định tuyến mạng MANET đứng đầu số lƣợng nghiên cứu đƣợc công bố Nhƣ vậy, khẳng định, định tuyến mạng MANET vấn đề cần đƣợc quan tâm giải nghiên cứu cải tiến hiệu mạng MANET AODV (Ad hoc On demand Distance Vector Routing Protocol) giao thức định tuyến tiêu biểu nhóm giao thức định tuyến đơn đƣờng có chế định tuyến kết hợp chiến lƣợc định tuyến tìm đƣờng theo yêu cầu với chiến lƣợc định tuyến cập nhật theo kiện, định tuyến phẳng, định tuyến chặng định tuyến phân tán Từ đƣợc giới thiệu lần đầu vào năm 2001 nay, có nhiều đề xuất cải tiến giao thức AODV theo mục tiêu: Đảm bảo tính sẵn sàng chuyển tiếp liệu, tiết kiệm lƣợng, hỗ trợ QoS đảm bảo an ninh định tuyến Trong số đề xuất cải tiến này, có nhiều đề xuất sử dụng phƣơng pháp khai thác thông tin định tuyến theo cách tiếp cận liên tầng để xây dựng chế định tuyến với độ đo định tuyến thay cho độ đo số chặng giao thức AODV nhƣng không hƣớng tới mục tiêu giảm tắc nghẽn gây thuật tốn tìm đƣờng ngắn theo số chặng đề cập Mục đích đề tài nghiên cứu phƣơng pháp định tuyến xuyên tầng, ƣớc lƣợng chất lƣợng liên kết từ tầng MAC truyền thông tin ngƣợc lên tầng định tuyến để sử dụng làm thơng tin đầu vào cho thuật tốn chọn đƣờng giao thức định tuyến Phƣơng pháp đƣợc áp dụng thử nghiệm để cải tiến giao thức AODV nhằm tăng hiệu định tuyến mạng MANET Luận văn có bố cục nhƣ sau: Sau phần mở đầu, nội dung giới thiệu Chƣơng trình bày vấn đề định tuyến mạng MANET Lý thuyết phƣơng pháp kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến AODV sở đánh giá chất lƣợng liên kết đƣợc trình bày Chƣơng Các kết việc thử nghiệm đánh giá kết hiệu giao thức cải tiến AODV-DM so với giao thức gốc AODV đƣợc trình bày Chƣơng Cuối phần kết luận đƣa tổng kết hƣớng phát triển luận văn CHƢƠNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 1.1 Giới thiệu mạng MANET 1.1.1 Khái niệm mạng MANET Mạng MANET (Mobile Ad hoc Network) [18] tập nút không dây di động trao đổi liệu cách linh động mà không cần hỗ trợ trạm sở cố định mạng có dây Mỗi nút di động có phạm vi truyền giới hạn, chúng cần trợ giúp nút láng giềng để chuyển tiếp gói liệu Hình 1.1 minh họa mạng MANET Trong ví dụ này, gói tin từ nút nguồn máy tính cần chuyển tới nút đích điện thoại thơng minh khơng nằm phạm vi truyền nút nguồn Vì vậy, cần có trợ giúp nút trung gian để chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích Để thực đƣợc cơng việc này, nút mạng phải sử dụng giao thức định tuyến phù hợp cho mạng MANET Hình 1.1 Một ví dụ mạng MANET Thuật ngữ “Ad hoc” áp dụng cho mạng khơng dây mơ tả mạng khơng có sở hạ tầng cố định, hình trạng mạng đƣợc tạo thành nút mạng Chế độ “Ad hoc” chuẩn IEEE 802.11 [33] hoạt động theo mơ hình này, hỗ trợ để thiết lập mạng đơn chặng Các mạng di động không dây kiểu không cấu trúc (MANET) mở rộng khái niệm “Ad hoc” đa chặng [66] theo nghĩa: nút mạng định tuyến chuyển tiếp gói tin nhận đƣợc từ nút mạng khác Nói cách khác, đƣờng chuyển tiếp gói tin từ nút nguồn tới nút đích chứa nút trung gian khác Các nút trung gian đọc thông tin phần header gói tin liệu chuyển tiếp chúng tới chặng đƣờng đƣợc hình thành Các nút mạng MANET thông thƣờng kết nối với khoảng thời gian để trao đổi thông tin Trong trao đổi thơng tin, nút di chuyển, đó, mạng phải đáp ứng đƣợc yêu cầu truyền liệu hình trạng mạng thay đổi liên tục Các nút mạng phải có chế tự tổ chức thành mạng để thiết lập đƣờng truyền liệu mà không cần hỗ trợ từ bên ngồi Trong mơ hình này, nút mạng đóng vai trị nút đầu cuối để chạy chƣơng trình ứng dụng ngƣời sử dụng định tuyến để chuyển tiếp gói tin cho nút mạng khác 1.1.2 Đặc điểm mạng MANET Do MANET mạng không dây hoạt động không cần hỗ trợ hạ tầng mạng sở sở truyền thông đa chặng thiết bị di động vừa đóng vai trị thiết bị đầu cuối, vừa đóng vai trị định tuyến nên mạng MANET cịn có số đặc điểm bật sau [8]:  Cấu trúc động: Do tính chất di chuyển ngẫu nhiên nút mạng nên cấu trúc loại mạng thƣờng xuyên thay đổi cách ngẫu nhiên thời điểm không xác định trƣớc Trong thay đổi, cấu trúc mạng MANET có thêm kết nối hai chiều kết nối chiều  Chất lƣợng liên kết hạn chế: Các liên kết khơng dây thƣờng có băng thơng nhỏ so với liên kết có dây Ngồi ra, ảnh hƣởng chế đa truy cập, vấn đề suy giảm tín hiệu, nhiễu yếu tố khác, băng thông thực liên kết không dây thƣờng thấp nhiều so với tốc độ truyền tối đa theo lý thuyết môi trƣờng truyền không dây  Các nút mạng có tài nguyên hạn chế: Mỗi nút di động mạng MANET cảm biến, điện thoại thông minh máy tính xách tay Thơng thƣờng thiết bị có tài nguyên hạn chế so với máy tính mạng có dây khơng dây truyền thống tốc độ xử lý, dung lƣợng nhớ lƣợng nguồn pin nuôi sống hoạt động nút  Độ bảo mật thấp mức độ vật lý: Mạng không dây di động thƣờng chịu tác động mặt vật lý từ nguồn gây nguy hại an ninh nhiều so với mạng có dây Về khía cạnh vật lý, kỹ thuật gây an ninh bảo mật mạng nhƣ nghe lén, giả mạo công từ chối dịch vụ thƣờng dễ triển khai mạng MANET mạng có dây truyền thống Có thể thấy đặc điểm yếu tố ảnh hƣởng nhiều đến hiệu mạng MANET Để triển khai đƣợc mạng MANET thực tế, thiết kế mạng MANET phải giải đƣợc thách thức sinh đặc điểm nêu mạng MANET Những thách thức gồm vấn đề kỹ thuật nhƣ khả truyền liệu định tuyến hiệu kích thƣớc mạng thay đổi; đảm bảo chất lƣợng dịch vụ (QoS) cho chƣơng trình ứng dụng; chế chuyển đổi số dịch vụ từ mơ hình client-server; tiết ... pháp kỹ thuật cải tiến giao thức định tuyến AODV sở đánh giá chất lƣợng liên kết đƣợc trình bày Chƣơng Các kết việc thử nghiệm đánh giá kết hiệu giao thức cải tiến AODV- DM so với giao thức gốc AODV. .. TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Phạm Thị Hồng An NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƢỚC LƢỢNG CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT VÀ CẢI TIẾN THUẬT TOÁN CHỌN ĐƢỜNG CHO GIAO THỨC AODV Ngành: Khoa học máy tính... Đánh giá cải tiến giao thức AODV 35 1.5 Tổng kết Chƣơng 36 CHƢƠNG CẢI TIẾN GIAO THỨC AODV TRÊN CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG LIÊN KẾT 38 2.1 Ƣớc lƣợng trễ liên kết sở thời