Mạng lưới wireless mesh network

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Họ tên tác giả luận văn NGUYỄN ĐỨC TOÀN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN MẠNG LƯỚI WIRELESS MESH NETWORK Chuyên ngành: Điện tử tin học LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỆN TỬ TIN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN CHẤN HÙNG Hà Nội – Năm 2011 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN iii T 28T LỜI NÓI ĐẦU iv T 28T DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v T T DANH MỤC CÁC BẢNG vi T 28T DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii T T PHẦN MỞ ĐẦU T 28T CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY T T 1.1 Sự đời phát triển mạng không dây T T 1.2 Các mốc hình thành phát triển mạng không dây T T CHƯƠNG 2: WIRELESS MESH NETWORK T T 2.1 Tổng quan wireless mesh network 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Kiến trúc mạng WMN 2.1.3 Các đặc điểm 11 2.1.4 Các tham số ảnh hưởng đến hiệu suất mạng 14 T T T 28T T T T 28T T T 2.2 Vấn đề định tuyến WMN 15 2.2.1 Các đặc trưng routing WMN 18 2.2.2 Khái niệm chung định tuyến 19 2.2.3 Các giao thức định tuyến 21 T T T T T T T T 2.3 Điều khiển truy nhập môi trường WMN 27 T T 2.4 Khả mở rộng WMN 28 2.4.1 Kiến trúc giả định 31 2.4.2 Sự đặt access point tối ưu 31 T T T T T T 2.5 Vấn đề an ninh mạng WMN 34 2.5.1 Tổng quan cơng xảy với WMN 36 2.5.2 Vấn đề xác thực 37 2.5.3 An toàn lớp MAC 38 2.5.4 An toàn định tuyến 40 2.5.5 Quản lý khóa an ninh truyền thông 42 2.5.6 Dị tìm xâm nhập 43 T T T T T 28T T 28T T 28T T T T 28T 2.6 Truyền thông đa phương tiện WMN yêu cầu chất lượng dịch vụ 43 2.6.1 Yêu cầu truyền thông 44 2.6.2 Những vấn đề tính thiết thực 45 2.6.3 Đánh giá chất lượng nhận 46 T 28T T T T T T T i Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn CHƯƠNG 3: GIAO THỨC OLSR 48 T T 3.1 Khái quát giao thức OLSR 48 T T 3.2 Chuyển tiếp đa điểm 49 T 28T 3.3 Nguyên tắc trao đổi tin 50 T T 3.4 Thay đổi thông số OLSR (Tuning OLSR Parameters) 55 T T 3.5 Khả áp dụng 56 T 28T CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN OLSR 59 T 28T Tổng quan 59 T 28T Thiết lập mô 59 4.2.1 Tạo tệp tin chứa thông số di chuyển node 63 4.2.2 Truyền liệu 64 4.2.3 Các thông số mô 65 4.2.4 Thực mô 67 4.2.5 Phân tích đánh giá kết mô 68 T 28T T T T 28T T T T T T T KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 T T TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 T 28T PHỤ LỤC 83 T 28T Phụ lục 1: Tệp tin mô *.tcl 83 T T Phụ lục 2: Tệp tin chứa thông số di chuyển node 87 T T Phụ lục 3: Tệp tin chứa thông số truyền liệu 89 T T Phụ lục 4: Ví dụ trace file (*.tr) 91 T T ii Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn LỜI CAM ĐOAN Lời cam đoan học viên: Tên tơi Nguyễn Đức Tồn, cam kết luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng giảng viên Viện Điện tử viễn thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Các kết nêu luận văn tốt nghiệp trung thực, chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2011 Học viên Nguyễn Đức Toàn iii Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn LỜI NÓI ĐẦU Trước hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em kiến thức, kinh nghiệm quý báu thời gian học tập rèn luyện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Để hoàn thành đồ án em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Chấn Hùng, giảng viên Viện Điện tử viễn thông - Đại học Bách Khoa Hà Nội bảo tận tình giúp đỡ em suốt trình làm đồ án Trong trình làm điều kiện thời gian trình độ có hạn khơng thể tránh khỏi sai sót Vì em mong nhận ý kiến bảo q báu thầy cơ, ý kiến đóng góp bạn bè để em kịp thời bổ sung, sửa chữa thiếu sót Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2011 Học viên: Nguyễn Đức Toàn Lớp: Cao học Điện tử Tin học 2009 iv Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Tồn DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình Một mơ hình mạng lưới khơng dây U T T U Hình Ví dụ mesh router Hình Ví dụ mesh client: Laptop điện thoại di động Hình Infrastructure/ Backbone WMN U T 28T U U T T U U T T U Hình Client WMN 10 Hình Hybrid WMNs 11 U T 28T U U T 28T U Hình WMN tập đoàn lớn 16 U T T U Hình Phân loại giao thức định tuyến 19 Hình Khám phá lộ trình 22 U T T U U T 28T U Hình 10 Chuyển tiếp dựa vị trí 26 Hình 11 Mơ hình WMN triển khai khu vực đơng dân cư 29 Hình 12 Mơ hình WMN đa kênh ổn định theo kiểu hình trịn 30 Hình 13 Một cluster mơi trường thành thị 31 U T T U U T T U U T T U U T T U Hình 14 Chuỗi truyền đa phương tiện điển hình 44 Hình 15 Các gói tin định tuyến tràn lụt mạng 51 Hình 16 Trao đổi thông tin OLSR 52 Hình 17 Quảng bá thơng điệp 53 Hình 18 Quy trình chuyển tiếp gói tin sử dụng kíp đa điểm – MPR 57 U T T U U T T U U T T U U T T U U T T U Hình 19 OLSR ngăn chặn vòng lặp việc sử dụng MPR để chuyển phát gói tin 58 Hình 20 Phần mềm tạo file mô 60 Hình 21 Ví dụ tạo tệp tin mô 61 Hình 22 Phần mềm phân tích tệp tin vết (trace file) 62 Hình 23 Topo mạng 66 Hình 24 Luồng kiện cho file Tcl chạy NS-2 68 Hình 25 Tỷ lệ phân phát gói tin thành cơng - 20 nút 70 Hình 26 Thời gian trung bình thiết lập kết nối - 20 nút 71 Hình 27 Thơng lượng - 20 nút 72 Hình 28 Tỷ lệ phân phát gói tin thành công - 50 nút 74 Hình 29 Thời gian trung bình thiết lập kết nối - 50 nút 75 Hình 30 Thơng lượng - 50 nút 76 U T 28T U U T T U U T T U U T U T T U 28T U U T T U U T T U U T U T T U T U U T T U U T U T T U T U v Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng Cấu hình mạng mơ 66 U T T U Bảng Giá trị tỷ lệ phân phát gói tin thành cơng - 20 nút 69 Bảng Thời gian trung bình thiết lập kết nối - 20 nút 70 Bảng Thông lượng - 20 nút 71 U T T U U T U T T U 28T U Bảng Giá trị tỷ lệ phân phát gói tin thành cơng - 50 nút 73 Bảng Thời gian trung bình thiết lập kết nối - 50 nút 74 U T T U U T T U Bảng Thông lượng - 50 nút 75 U T 28T U vi Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AODV T Adhoc On-demand Distance MANET Mobile Adhoc NETwork Vector 2T T CSMA/CA Carrier sense multiple access MPR with collision avoidance T 2T CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access NS-2 T 2T T T Multi-Point Relays T Network Simulator T with Collision Detection DARPA DSDV T DSR T Hi T IEEE T LAN T MAC T Defense Advanced Research OLSR Projects Agency 17T T Destination-Sequenced Distance Vector PRnet 2T T Dynamic Source Routing RREP Hello interval RREQ 2T 2T Institute of Electrical Electronics Engineers 2T and TCi T Local Area Network TORA 2T T Media Access Control WLAN 2T T vii Optimized Link Routing Protocol T State Packet Radio Network T Route Reply T Route Request T Topology Control Intervals T Temporally-Ordered Routing Algorithm T Wireless LAN T Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện mạng truy nhập băng rộng không dây ngày phổ biến nhiều công nghệ khác 3G, WiMax, WiFi, etc mạng WiFi có nhiều triển vọng khu dân cư mật độ cao, với ưu điểm trội giá thành thấp Một hướng phát triển mạng WiFi mạng lưới không dây hay Wireless Mesh Network có khả tự cấu hình động với khả tự hồi phục, định tuyến thông minh, etc Hệ thống mạng Wi-Fi phổ thông thường không chọn làm phương tiện kết nối quy trình hoạt động quan hay doanh nghiệp số ngun nhân chi phí, vùng phủ sóng Lời giải cho tốn khơng dây cơng nghệ mạng lưới không dây (Wireless Mesh Network) Đối với số nhóm ngành dịch vụ đặc biệt giáo dục, y tế hay du lịch… việc thiết lập hệ thống mạng hữu tuyến cho toàn người dùng thực Đối tượng sử dụng loại hình dịch vụ thường có yêu cầu kết nối linh động số lượng vị trí mức cao Lời giải cho tốn hệ thống mạng lưới không dây Wireless Mesh Network, kết hợp công nghệ định hướng AP Việc "định hướng" sử dụng an-ten phát sóng có định hướng đến người sử dụng AP đồng thời sử dụng giao thức định tuyến mạng Mục đích việc sử dụng giao thức định tuyến nhằm tối ưu hóa khả kết nối AP người sử dụng, thiết lập kết nối không dây tối ưu AP với nhau, từ giảm số lượng AP cần thiết tiết kiệm chi phí cho quan hay doanh nghiệp Với lý nêu tác giả chọn luận văn “Mạng lưới Wireless Mesh Network” nghiên cứu sâu đánh giá hiệu giao thức định tuyến OLSR Mục đích nghiên cứu luận văn Tìm hiểu lý thuyết mạng khơng dây Nghiên cứu kiến trúc, công nghệ mạng lưới khơng dây Wireless Mesh Network Tìm hiểu lý thuyết giao thức định tuyến OLSR Đánh giá hiệu giao thức định tuyến OLSR thông qua mô Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn Các kết nghiên cứu đề tài sở để triển khai mạng WMN có hiệu sở để nghiên cứu giao thức định tuyến khác khía cạnh khác giao thức OLSR Nội dung luận văn bao gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan mạng không dây Chương 2: Wireless Mesh Network Chương 3: Giao thức OLSR Chương 4: Đánh giá hiệu giao thức định tuyến OLSR Luận văn thạc sĩ Nguyễn Đức Toàn KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Hiện việc sử dụng thiết bị Wi-Fi trở lên phổ biến Một hướng phát triển mạng WiFi mạng lưới không dây hay Wireless Mesh Network có khả tự cấu hình động với khả tự hồi phục, định tuyến thơng minh, etc Trên giới có số nghiên cứu WMN so sánh giao thức định tuyến AODV, DSDV, OLSR… khảo sát ảnh hưởng chuyển động nút mạng đến hiệu suất số giao thức định tuyến MANET Cũng có nghiên cứu việc thay đổi thơng số Hi TCi nhiên chưa có nghiên cứu sâu ảnh hưởng hiệu suất giao thức định tuyến OLSR thay đổi thông số Hi TCi Tác giả thực đầy đủ nội dung nghiên cứu, có phần nghiên cứu tổng quan mạng không dây Wireless Mesh Network, nghiên cứu giao thức định tuyến kết hợp với sở lý thuyết, có phần mềm mơ Đặc biệt tác giả trình bày kết khảo sát đánh giá ảnh hưởng tham số đến hiệu suất giao thức định tuyến OLSR Hiệu suất giao thức OLSR thay đổi lớn thay đổi giá trị chu kì gửi tin Hello (Hi) cụ thể là: Khi tăng giá trị Hi từ 1s đến 3s hiệu suất giao thức OLSR cao nhất, tăng giá trị Hi từ 4s đến 6s làm giảm thông lượng mạng giá trị Hi lớn 6s giảm mạnh hiệu suất OLSR Đồng thời tăng chu kì gửi tin cấu trúc liên kết mạng TCi lớn 5s mức độ ổn định truyền liệu không cao Do việc tăng hiệu suất mạng phải trả giá việc tăng tin không mang liệu tăng chi phí băng thơng Như ứng dụng WMN mạng có nhiều nút di động để hiệu suất giao thức OLSR đạt cao ta cần phải giảm tham số Hi