Định tuyến đa đường trong mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - VŨ ĐỨC HÙNG ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Chun ngành : Cơng nghệ thơng tin LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGƠ QUỲNH THU HÀ NỘI - 2015 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Vũ Đức Hùng Đề tài luận văn: Định tuyến đa đƣờng mạng cảm biến không dây Chuyên ngành:Công nghệ thông tin Mã số SV: CA120599 Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 25/4/2015 với nội dung sau: Thiếu sót, tồn - Một số tiêu đề chƣơng chƣa phù hợp với nội dung, văn phong chƣa phù hợp, số thuật ngữ chƣa xác - Các kết thí nghiệm chƣa phân tích kỹ - Lỗi trích dẫn Ý kiến hội đồng việc học viên phải sửa chữa nộp lại luận văn - Sửa lại khái niệm cho xác Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2015 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn TS Ngô Quỳnh Thu Vũ Đức Hùng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Đặng Văn Chuyết LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn thực dƣới hƣớng dẫn TS Ngô Quỳnh Thu Để hồn thành luận văn tơi áp dụng tài liệu tham khảo khơng chép tồn luận văn nào, mơ giải thích nhƣ phần xây dựng giải pháp ứng dụng luận văn hồn tồn trung thực cơng trình nghiên cứu riêng Học viên thực Vũ Đức Hùng LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, em xin đƣợc chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội nói chung thầy cô giáo Viện Công nghệ thông tin Truyền thơng nói riêng tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập Em xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo TS Ngơ Quỳnh Thu hết lịng giúp đỡ, hƣớng dẫn bảo tận tình trình em thực luận văn tốt nghiệp Cuối em xin cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2015 Học viên thực Vũ Đức Hùng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .3 LỜI CẢM ƠN .4 MỤC LỤC………………………………………………………………………… DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 10 MỞ ĐẦU………………………………………………………………………… 11 1- Tính khoa học tính cấp thiết luận văn .11 2- Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 12 3- Mục tiêu luận văn 13 4- Phƣơng pháp luận nghiên cứu 13 5- Nội dung luận văn 13 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15 1.1 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15 1.2 ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 18 1.2.1 Một số phƣơng pháp định tuyến đa đƣờng mạng cảm biến không dây 18 1.2.2 Yếu tố thiết kế giao thức định tuyến đa đƣờng 21 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 25 2.1 PHÂN LOẠI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG 25 2.2 ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG LUÂN PHIÊN (ALTERNATIVE PATH ROUTING) 26 2.2.1 Directed Diffusion 26 2.2.2 Giao thức kết hợp nhiều đƣờng (Braided Multipath Routing) 29 2.2.3 Giao thức định tuyến đa đƣờng truyền liệu đáng tin cậy hiệu lƣợng (Reliable and Energy-Aware Multipath Routing) 31 2.3 ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG ĐỒNG THỜI (Concurrent Multipath Routing) 32 2.3.1 Giao thức truyền số liệu đáng tin cậy (Multipath Routing Protocols for Reliable Data Transmission) 32 2.3.2 Một số giao thức định tuyến đa đƣờng sử dụng hiệu nguồn tài nguyên mạng 45 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSDV VÀ AOMDV 64 3.1 MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSDV VÀ AOMDV DỰA TRÊN PHẦN MỀM NS2 64 3.1.1 Mô hoạt động giao thức AOMDV 64 3.1.2 Năng lƣợng tiêu thụ 67 3.2 GIẢ THIẾT MÔ PHỎNG 67 3.2.2 Chạy mô DSDV, AODV AOMDV NS2 68 3.2.3 Phân tích kết AODV, DSDV AOMDV dựa xgraph 68 3.2.4 Phân tích kết dựa NS2 Visual Trace Analyzer 71 KẾT LUẬN……………………………………………………………………… 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Một số cách lựa chọn nút .22 Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến đa đƣờng có mạng cảm biến không dây .25 Hình 2.2: Phân loại phƣơng pháp tiếp cận giao thức định tuyến đa đƣờng 26 Hình 2.3: Hoạt động giao thức định tuyến Directed Disffusion 28 Hình 2.4: Giao thức kết hợp nhiều đƣờng .30 Hình 2.5: Xây dựng giao thức định tuyến đa đƣờng 36 Hình 2.6: Tiến độ từ nút A đến nút B phía nút đích 38 Hình 2.7: Nhiều đƣờng tách rời đƣợc thành lập MCMP 41 Hình 2.8: Lựa chọn liên kết theo hạn chế tiêu thụ lƣợng không gian địa lý 42 Hình 2.9: Hình thành đƣờng AOMDV 56 Hình 2.10: Một ví dụ đơn giản đƣờng đƣợc xây dựng EECA 61 Hình 3.1: Giai đoạn khám phá nút hàng xóm .64 Hình 3.2: Các bƣớc xây dựng định tuyến đa đƣờng (a), (b), (c), (d), (e) (f) 66 Hình 3.3: Mô thông lƣợng AODV, DSDV AOMDV .68 Hình 3.4: Mơ băng thơng AODV, DSDV AOMDV 69 Hình 3.5: Hỉnh ảnh mô lƣợng tiêu hao AODV, DSDV AOMDV 70 Hình 3.6: Các thông tin chi tiết nút - AODV 71 Hình 3.7: Các thông tin chi tiết nút – DSDV 72 Hình 3.8: Các thông tin chi tiết nút - AOMDV 72 Hình 3.9: Các thơng tin trễ theo thời gian gửi liệu nút .73 Hình 3.10: Các thơng tin trễ theo thời gian gửi liệu nút – AOMDV 73 Hình 3.11: Các thơng tin trễ theo gói liệu gửi liệu nút 74 Hình 3.12: Các thơng tin trễ theo gói liệu gửi liệu nút 0- AOMDV 74 Hình 3.13: Các thông tin Jitter theo thời gian gửi liệu nút 75 Hình 3.14: Các thông tin Jitter theo thời gian gửi liệu nút AOMDV 75 Hình 3.15: Thơng lƣợng gửi liệu nút - AODV 76 Hình 3.16: Thơng lƣợng gửi liệu nút - DSDV 76 Hình 3.17: Thơng lƣợng gửi liệu nút – AOMDV 77 Hình 3.18: Thơng lƣợng nhận liệu nút 77 Hình 3.19: Thơng lƣợng nhận liệu nút – AOMDV 78 Hình 3.20: Tổng hợp kết TCP ACK – AODV 78 Hình 3.21: Tổng hợp kết TCP ACK – DSDV 79 Hình 3.22: Tổng hợp kết TCP ACK – AOMDV 79 Hình 3.23: Tổng hợp kết thơng tin định tuyến truyền TCP – AODV .80 Hình 3.24: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền TCP – DSDV .81 Hình 3.25: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền TCP – AOMDV 81 Hình 3.26: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền ACK – AODV 82 Hình 3.27: Tổng hợp kết thơng tin định tuyến truyền ACK – DSDV 82 Hình 3.28: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền ACK – AOMDV 83 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tổng hợp giao thức định tuyến đa đƣờng luân phiên .29 Bảng 2.2: Tóm tắt giao thức định tuyến đa đƣờng đƣợc lựa chọn đƣợc thiết kế để cung cấp truyền liệu đáng tin cậy .34 Bảng 2.3: Tóm tắt giao thức định tuyến đa đƣờng chủ yếu đƣợc thiết kế để cung cấp cho việc sử dụng nguồn lực hiệu 46 Bảng 2.4: Xây dựng bảng định tuyến nút nguồn AODV, AOMDV .57 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK Acknowledgment Báo nhận AODV Ad-hoc on-demand distance vector routing Định tuyến khoảng cách véctơ theo yêu cầu tùy biến AOMDV Ad-hoc on-Demand Multipath Distance Vector Định tuyến vector khoảng cách đa đƣờng theo yêu cầu DPS Dynamic Packet State Đảm bảo dịch vụ trễ DSDV Destination Sequenced Distance Vector Định tuyến theo bảng dựa vesctơ khoảng cách FEC Correction Forward Error Điều chỉnh chuyển tiếp lỗi I2MR Interference-Minimized Multipath Routing Đinh tuyến đa đƣờng giảm thiểu nhiễu đƣờng NS2 Netwwork Simulation Mô mạng MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trƣờng MID Multiple Interface Declaration Công bố đa giao diện MPR Multi-Point Relay Chuyển tiếp đa điểm OLSR Optimized Link State Routing Protocol Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ƣu QoS Quality of service Chất lƣợng dịch vụ RREP Route Reply Hồi đáp tuyến RREQ Route Request Yêu cầu tuyến RERR Route Error Lỗi tuyến TCP Transmission Control Protocol Giao thức truyền tin có hƣớng liên kết TC Topology Control Điều khiển cấu hình mạng TTL Time to live Thời gian sống UDP User Datagram Protocol Giao thức có tốc độ truyền tin nhanh WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục không dây 10 Hình 3.7: Các thơng tin chi tiết nút – DSDV Hình 3.8: Các thơng tin chi tiết nút - AOMDV Dựa bảng thông tin ta nhận thất tất thơng tin nút số lƣợng data gửi, nhận, chuyển tiếp,… Với tín hiệu đầu vào yêu cầu kết nối, mức lƣợng, phƣơng thức di chuyển,… nhƣ nhƣng ta dễ dàng nhận thấy giao thức AOMDV có kết số lƣợng bytes gói tin gửi, nhận cao là: Sent = 1049 bytes; Received = 1029 bytes; Transferred = 1029 bytes; DSDV có 72 Sent = 838 bytes; Received = 818 bytes; Transferred = 818 bytes; AODV Sent = 980 bytes; Received = 960 bytes; Transferred = 960 bytes *) Delay (trễ) nút theo thời gian (over time) - Send AODV DSDV Hình 3.9: Các thông tin trễ theo thời gian gửi liệu nút Hình 3.10: Các thơng tin trễ theo thời gian gửi liệu nút – AOMDV Trục tung biểu thị độ trễ tính theo Milliseconds, trục hồnh biểu thị thời gian q trình mơ tính theo ms Độ trễ nút theo thời gian gửi liệu ta nhận thấy giao thức DSDV có độ trễ lớn ACK, với TCP AODV có độ trễ lớn thời điểm cuối thời gian mơ phịng, AOMDV độ trễ hầu nhƣ khơng nhận thấy 73 *) Delay (trễ) nút theo thời gian (per packer) - Send AODV DSDV Hình 3.11: Các thơng tin trễ theo gói liệu gửi liệu nút Hình 3.12: Các thơng tin trễ theo gói liệu gửi liệu nút 0AOMDV Dựa hình 3.12 3.13 ta dễ dàng nhận thấy độ theo gói liệu gửi AODV DSDV lớn AOMDV nhiều, với AODV DSDV độ trễ nhận thấy tồn bơ thời gian hoạt động TCP ACK nằm khoảng 0.1 đến 0.3 Milliseconds cịn với AOMDV hầu nhƣ khơng nhận thấy khoảng thời gian trễ lớn 74 *) Thăng giáng độ trễ (Jitter): theo thời gian (over time) gói tin (per packer); AODV DSDV Hình 3.13: Các thơng tin Jitter theo thời gian gửi liệu nút Hình 3.14: Các thơng tin Jitter theo thời gian gửi liệu nút AOMDV 75 *) Thông lượng Send (gửi) liệu nút nguồn: Hình 3.15: Thơng lƣợng gửi liệu nút - AODV Hình 3.16: Thơng lƣợng gửi liệu nút - DSDV 76 Hình 3.17: Thơng lƣợng gửi liệu nút – AOMDV Dựa hình 3.16; 3.17; 3.18 ta nhận thấy mức thơng lƣợng gửi liệu nút AODV nằm khoảng từ 47 đến 55 bytes/s, với DSDV khoảng thời gian đầu thông lƣợng gần nhƣ 0, đạt giá trị khoảng 52 đến 57 bytes/s, với AOMDV giống nhƣ AODV nhƣng thơng lƣợng trung bình tồn thời gian mơ đạt giá trị cao nằm khoảng 55 đến 60 bytes/s *) Thông lượng Received (nhận) liệu nút nguồn: AODV DSDV Hình 3.18: Thơng lƣợng nhận liệu nút 77 Hình 3.19: Thông lƣợng nhận liệu nút – AOMDV Thông lƣợng nhận liệu nút nhận thấy với giao thức AODV ACK đạt giá trị nằm khoảng từ 10 đến 20 bytes/s hầu hết thời gian thực hiện, giao thức DSDV khoảng thời gian đầu giá trị đạt thấp đạt giá trị nằm khoảng 20 đến 22 bytes/s nhƣng chủ yếu khoảng 20 bytes/s Với AOMDV thơng lƣợng đạt đƣợc từ khoảng thời gian đầu phần lớn thời gian đạt đƣợc khoảng 21 đến 22 bytes/s *) Kết số lượng gói tin truyền theo TCP (gửi) ACK (nhận) Hình 3.20: Tổng hợp kết TCP ACK – AODV 78 Hình 3.21: Tổng hợp kết TCP ACK – DSDV Hình 3.22: Tổng hợp kết TCP ACK – AOMDV *) AODV: - TCP với số lƣợng gói tin thực 993, số lƣợng byte truyền 531 Kb, số lƣợng gói tin bị 16 số byte bị Kb - ACK với số lƣợng gói tin thực 978, số lƣợng byte truyền 201 Kb, số lƣợng gói tin bị 15 số byte bị Kb *) DSDV: - TCP với số lƣợng gói tin thực 850, số lƣợng byte truyền 452 Kb, số lƣợng gói tin bị 19 số byte bị 10 Kb - ACK với số lƣợng gói tin thực 819, số lƣợng byte truyền 168 Kb, số lƣợng gói tin bị số byte bị 210 Kb *) AOMDV: - TCP với số lƣợng gói tin thực 1061, số lƣợng byte truyền 565 Kb, số lƣợng gói tin bị 19 số byte bị 10 Kb - ACK với số lƣợng gói tin thực 1037, số lƣợng byte truyền 213 Kb, số lƣợng gói tin bị số byte bị 2Kb 79 Qua ta nhận thấy giao thức AOMDV sử dụng hiệu giao thức AODV DSDV số lƣợng chất lƣợng nhƣ độ tin cậy gói tin Trong chi tiết cho nút đƣợc thiết lập đƣợc thể nhƣ sau: Hình 3.23: Tổng hợp kết thơng tin định tuyến truyền TCP – AODV 80 Hình 3.24: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền TCP – DSDV Hình 3.25: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền TCP – AOMDV 81 Với thơng tin ta nhận thấy: nút nguồn, nút gốc, thời gian đƣợc định tuyến số gói tin đƣợc thực qua nút nguồn gốc Hình 3.26: Tổng hợp kết thơng tin định tuyến truyền ACK – AODV Hình 3.27: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền ACK – DSDV 82 Hình 3.28: Tổng hợp kết thông tin định tuyến truyền ACK – AOMDV Dựa vào hình ta dễ dạng nhận thấy tổng số gói tin đƣợc gửi với giao thức, cách thức lựa chọn đƣờng phƣơng thức định tuyến tƣơng ứng với yêu cầu gửi, nhận 83 KẾT LUẬN Trong luận văn tác giả trình bày giao thức định tuyến đa đƣờng đƣợc thực nƣớc giới Tác giả nghiên cứu, tìm hiểu phân tích phƣơng thức hoạt động nhƣ số điểm mạnh, điểm yếu giao thức Tác giả mô đánh giá kết mô với giao thức định tuyến đơn đƣờng AODV, DSDV giao thức định tuyến đa đƣờng AOMDV sử dụng phần mềm NS2 Dựa nội dung lập trình kịch mơ phỏng, dựa vào phần mềm để lấy kết đánh giá Tuy nhiên thời gian có hạn nhƣ kiến thức thân, tiếp cận thực tế hạn chế nên nội dung nghiên cứu luận văn không tránh khỏi thiếu sót phần thực nghiệm chƣa thực đƣợc Hƣớng phát triển tác giả mong muốn thực thay đổi thƣ viện hỗ trợ NS2 để mơ nhiều giao thức định tuyến đa đƣờng khác Ngoài cịn mong muốn cải tiến số giao thức nghiên cứu để tăng cƣờng giảm bớt tiêu hao lƣợng nâng cao chất lƣợng đƣờng truyền Tác giả mong nhận đƣợc đóng góp góp ý thầy đồng nghiệp để hồn thiện tốt nội dung tác giả nghiên cứu áp dụng đƣợc vào thực tiễn 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO Yick, J.; Mukherjee, B.; Ghosal, D Wireless Sensor Network Survey Comput Netw 2008, 52, 2292-2330 Couto, D.S.J.D.; Aguayo, D.; Bicket, J.; Morris, R A High-Throughput Path Metric for Multi-Hop Wireless Routing Wirel Netw 2005, 11, 419-434 Chen, D.; Varshney, P.K QoS Support in Wireless Sensor Networks: A Survey In Proceedings of the International Conference on Wireless Networks, (ICWN ’04), Las Vegas, NV, USA, 21-24 June 2004; pp 227-233 Al-Karaki, J.N.; Kamal, A.E Routing Techniques in Wireless Sensor Networks: A Survey IEEE Wirel Commun 2004, 11, 6-28 Dezfouli, B.; Radi, M.; Abd Razak, S A Cross-Layer Approach for Minimizing Interference and Latency of Medium Access in Wireless Sensor Networks Int J Comput Netw Commun 2010, 2, 126-142 Lu, Y.M.; Wong, V.W.S An Energy-Efficient Multipath Routing Protocol for Wireless Sensor Networks Int J Commun Syst 2007, 20, 747-766 Fonseca, R.; Gnawali, O.; Jamieson, K.; Levis, P Four-Bit Wireless Link Estimation In Proceedings of the 6th Workshop on Hot Topics in Networks (HotNetsVI), Atlanta, GA, USA, 14 November 2007 Kim, K.-H.; Shin, K.G On Accurate and Asymmetry-Aware Measurement of Link Quality in Wireless Mesh Networks IEEE/ACM Trans Netw 2009, 17, 1172-1185 Wu, K.; Harms, J Performance Study of a Multipath Routing Method for Wireless Mobile Ad Hoc Networks In Proceedings of the 9th International Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Computer and Telecommunication Systems, Cincinnati, OH, USA, 15-18 August 2001; pp 99-107 10 Mueller, S.; Tsang, R.; Ghosal, D Multipath Routing in Mobile Ad Hoc Networks: Issues and Challenges Lect Note Comput Sci 2004, 2965, 209234 85 11 Intanagonwiwat, C.; Govindan, R.; Estrin, D Directed Diffusion: A Scalable and Robust Communication Paradigm for Sensor Networks In Proceedings of the 6th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom ’00), Boston, MA, USA, 6-11 August 2000; pp 56-67 12 Hassanein, H.; Luo, J Reliable Energy Aware Routing in Wireless Sensor Networks In Proceedings of 2nd IEEE Workshop on Dependability and Security in Sensor Networks and Systems, Los Alamitos, CA, USA, 24-28 April 2006; pp 54-64 13 Deb, B.; Bhatnagar, S.; Nath, B ReInForM: Reliable Information Forwarding Using Multiple Paths in Sensor Networks In Proceedings of the 28th Annual IEEE International Conference on Local Computer Networks (LCN’03), Bonn, Germany, 2024 October 2003; pp 406-415 14 Lou, W An Efficient N-to-1 Multipath Routing Protocol in Wireless Sensor Networks In Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor System (MASS ’05), Washington, DC, USA, 7-10 November 2005; pp 672-680 15 Felemban, E.; Lee, C.G.; Ekici, E MMSPEED: Multipath Multi-SPEED Protocol for QoS Guarantee of Reliability and Timeliness in Wireless Sensor Networks IEEE Trans Mobile Comput 2006, 5, 738-754 86 ... 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15 1.1 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15 1.2 ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 18 1.2.1 Một... VỀ ĐỊNH TUYẾN ĐA ĐƢỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Tiến công nghệ truyền thông không dây sản xuất thiết bị không dây không tốn dẫn đến đời mạng cảm. .. định tuyến đa đƣờng mạng cảm biến khơng dây, tìm hiểu kết nghiên cứu khảo sát 13 đánh giá giao thức định tuyến đa đƣờng mạng cảm biến không dây Chƣơng 2: Một số giao thức định tuyến đa đường mạng