Dịch vụ vị trí phân cấp cho định tuyến trong mạng manet

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN QUANG VINH DỊCH VỤ VỊ TRÍ PHÂN CẤP CHO ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS ĐỖ HỒNG TUẤN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN MINH HOÀNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS LƯU THANH TRÀ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng 07 năm 2009 ii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG VINH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 19/01/1984 Nơi sinh:Vĩnh Long Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Khóa (Năm trúng tuyển): 2007 - MSHV: 01407366 1- TÊN ĐỀ TÀI: DỊCH VỤ VỊ TRÍ PHÂN CẤP CHO ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tổng quan mạng MANET - Tìm hiểu kiểu định tuyến dựa vào thơng tin vị trí loại dịch vụ vị trí mạng MANET - Tìm hiểu xây dựng dịch vụ vị trí phân cấp - Viết thực chương trình mơ phương pháp đề xuất - So sánh, nhận xét đánh giá kết - Kết luận kiến nghị 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): TS ĐỖ HỒNG TUẤN PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) iii KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Đỗ Hồng Tuấn Cô PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN, Thầy Cơ ln tận tình bảo hướng dẫn tơi suốt q trình hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn Thầy TS NGUYỄN MINH HỒNG, Thầy nhiệt tình giúp đỡ q trình phản biện luận văn cho tơi lời khuyên ý nghĩa, quan trọng việc nghiên cứu khoa học Bên cạnh đó, tơi ln ghi nhớ xin gửi lời cảm ơn đến Thầy, Cô trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt Thầy, Cơ thuộc mơn Viễn Thơng, người tận tình giảng dạy truyền đạt cho kiến thức suốt thời gian thời gian học Cao học học Đại học trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Xin gửi lời cảm ơn đến Bố Mẹ, Vợ người thân gia đình ln bên cạnh, có lời động viên, khuyến khích tơi suốt q trình học tập thực luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt thành viên lớp cao học kỹ thuật điện tử 2007, bạn Trung, Hùng, Chiến, Xuân Vinh… Họ ln nhiệt tình giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn học tập chia sẻ công việc TPHCM, tháng 07 năm 2009 Nguyễn Quang Vinh iv TÓM TẮT Với phổ biến thiết bị định vị hỗ trợ mạnh mẽ hệ thống như: GPS (Global Position System - Mỹ), GLONASS (GLObal Navigation Satellite System - Nga) Galileo (Châu Âu) Các giao thức định tuyến theo vị trí mạng MANET (Mobile Ad-hoc NETwork) ngày phát triển Nhiệm vụ quan trọng thực định tuyến theo vị trí xác định vị trí khoảng cách node đích node xung quanh Và việc thực thông qua dịch vụ vị trí (location service) Hiệu việc định tuyến theo vị trí phụ thuộc vào dịch vụ vị trí Ở đây, luận văn trình bày loại hình dịch vụ vị trí phân cấp (ta gọi tắt HLS - Hierarchical Location Service [33]) HLS chia toàn khu vực bao phủ mạng thành vùng phân cấp khác Vùng có level cao tồn bơ mạng Vùng chia thành vùng level thấp đạt level thấp nhất, gọi cell Đối với node A, cell đặc biệt lựa chọn mức phân cấp mạng hàm “hash” Khi A thay đổi vị trí, chuyển thơng tin cập nhật vị trí đến cell (gọi “Responsible Cells” - RCs A) Nếu node muốn xác định vị trí node A, sử dụng hàm “hash” tương tự để xác định cell mà có thơng tin vị trí node A Sau thực việc gửi “u cầu thơng vị trí” đến cell theo thứ tự phân cấp nhận thơng tin phản hồi vị trí node A HLS thực mơ kết hợp với giao thức định tuyến GPSR, kết mô thay đổi mật độ node, vận tốc chuyển động node cho ta kết tốt tỉ lệ thành công thời gian đáp ứng nhanh Bên cạnh đó, thơng qua việc so sánh với dịch vụ vị trí phổ biến GLS (Grid Location Service) cho ta thấy HLS có tỉ lệ thành công cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh nhiên có thời điểm lượng băng thơng tiêu tốn nhiều so với GLS iv MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 1.2 1.3 1.4 Giới thiệu vấn đề Mục tiêu luận văn Phạm vi đề tài Bố cục luận văn CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ TRONG MẠNG MANET 2.1 Giới thiệu sơ lược mạng MANET 2.1.1 Sự đời mạng MANET 2.1.2 Giới thiệu mạng MANET 2.1.3 Nguyên tắc hoạt động 2.2 Những ứng dụng mạng MANET 2.2.1 Trong quân 2.2.2 Trong mạng cục 2.2.3 Trong trường hợp khẩn cấp 2.2.4 Mạng cảm biến không dây 2.3 Những thách thức mạng MANET 2.3.1 Giao thức định tuyến đa hop 2.3.2 Khả mở rộng mạng 10 2.3.3 Bảo mật 10 2.3.4 Chất lượng dịch vụ 10 2.3.5 Tiêu tốn lượng 11 2.4 Định tuyến mạng MANET 11 2.4.1 Các giao thức định tuyến mạng cố định 11 2.4.2 Các giao thức định tuyến mạng MANET 12 2.4.2.1 Proactive 13 2.4.2.2 Reactive 14 2.5 Định tuyến dựa vào thơng tin vị trí mạng MANET 17 2.5.1 Giao thức LAR 17 2.5.2 Giao thức DREAM 19 2.5.3 Giao thức GPSR 20 2.5.4 Giao thức Ellipsoid 26 2.6 Dịch vụ vị trí 26 2.6.1 Homezone 26 2.6.2 GLS (Grid Location Service) 27 CHƯƠNG 3: DỊCH VỤ VỊ TRÍ PHÂN CẤP HLS 31 3.1 Cells 32 3.1.1 Cấu trúc 32 3.1.2 Responsible Cells 33 3.2 Cập nhật vị trí 34 3.3 Handovers 37 3.4 Yêu cầu thông tin vị trí 38 CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI THỰC HIỆN VỚI NS-2 (PHIÊN BẢN 2.33) 41 4.1 HLS NS-2 41 v 4.1.1 Các thành phần triển khai 41 4.1.2 Các tính chưa triển khai 47 4.1.3 Dạng kích thước gói liệu HLS 48 4.2 GLS NS-2 50 4.2.1 Dạng kích thước gói liệu GLS 51 4.3 Cách thức mô đối tượng không dây di động NS-2 51 4.4 IEEE 802.11 55 4.5 Null MAC 55 4.6 BonnMotion 56 4.7 Perl 56 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 58 5.1 Thông số mô 58 5.1.1 Các khái niệm 58 5.1.2 Kịch mô 59 5.2 Thực mô 60 5.2.1 Các thông số đánh giá 61 5.2.2 Kết mô chế độ Greedy forwarding 61 5.2.2.1 Tỉ lệ thành công 61 5.2.2.2 Băng thông tiêu tốn (bandwidth consumption) 65 5.2.2.3 Thời gian đáp ứng (response time) 68 5.2.3 Kết mô chế độ Perimeter forwarding 72 5.2.3.1 Tỉ lệ thành công 72 5.2.3.2 Băng thông tiêu tốn (bandwidth consumption) 75 5.2.3.3 Thời gian đáp ứng (response time) 77 5.3 Phân tích trường hợp thất bại HLS 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 84 6.1 Tổng kết 84 6.2 Hướng nghiên cứu tương lai 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 92 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Nhóm cell lại thành vùng Hình 1.2: Candidate tree với cấu trúc phân cấp đến level-3 Hình 2.1: Mơ hình mạng có cấu trúc Hình 2.2: Ví dụ mạng MANET Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động mạng MANET Hình 2.4 Ứng dụng mạng MANET quân Hình 2.5: Ví dụ minh họa vùng Expected zone request zone 18 Hình 2.6: Ví dụ thuật tốn Greedy 21 Hình 2.7: Greedy forwarding không thành công 23 Hình 2.8: Quy tắc bàn tay phải 24 Hình 2.9: Đồ thị khơng phẳng 25 Hình 2.10: Ví dụ giải thuật ellipsoid chọn next hop cho việc forward liệu 26 Hình 2.11: Ví dụ server vị trí GLS 29 Hình 2.12: Ví dụ u cầu thơng tin vị trí GLS 30 Hình 3.1: Nhóm cell lại thành vùng 32 Hình 3.2 Candidate tree với cấu trúc phân nhánh đến level-3 34 Hình 3.3: Ví dụ responsible cells node 35 Hình 3.4: Cập nhật vị trí trực tiếp 36 Hình 3.5 Cập nhật vị trí gián tiếp 37 Hình 3.6: Ví dụ u cầu thơng tin vị trí 40 Hình 4.1 Các candidate cell cho node 11 chúng sử dụng mơ 42 Hình 4.2: Thơng tin trả lời yêu cầu vị trí level phân cấp khác dựa vào vị trí node gửi yêu cầu (A) node đích (B) Các hình vng mờ responsible cell theo hình 4.1 45 Hình 4.3 Cơ chế hoạt động home perimeter 47 Hình 4.4: Mơi trường mơ mạng di động 52 Hình 4.5: Node di động 53 Hình 4.6: Minh họa thơng số cấu hình cho node NS-2 54 Hình 5.1: Mơ hình chuyển động RandomWaypoint node 59 Hình 5.2: Các node thực u cầu tìm vị trí node khác 60 Hình 5.3: Tỉ lệ thành cơng HLS GLS chế độ Greedy forwarding theo mật độ node 63 Hình 5.4: Tỉ lệ thành cơng HLS GLS chế độ Greedy forwarding theo vận tốc chuyển động node 65 Hình 5.5: Băng thông tiêu tốn HLS GLS chế độ greedy forwarding 68 Hình 5.6: Thời gian đáp ứng HLS 70 Hình 5.7: Thời gian đáp ứng GLS 71 Hình 5.8: Tỉ lệ thành cơng HLS GLS chế độ Perimeter forwarding theo mật độ node 74 Hình 5.9: Tỉ lệ thành cơng HLS GLS chế độ Perimeter forwarding theo vận tốc chuyển động node 75 Hình 5.10: Băng thông tiêu tốn HLS GLS chế độ perimeter forwarding 77 Hình 5.11: Thời gian đáp ứng HLS chế độ perimeter forwarding 79 Hình 5.12: Thời gian đáp ứng GLS chế độ perimeter forwarding 80 Hình 5.13 : Các kết xảy query vị trí HLS 83 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Hoạt động DSDV 15 Bảng 2.2: Hoạt động DSR 16 Bảng 4.1: Kích thước trường sử dụng việc tính tốn bandwidth 49 Bảng 4.2: Kích thước HLS header gói liệu 50 Bảng 4.3: Kích thước gói liệu GLS headers 51 Bảng 5.1: Các thơng số trình bày RFC 2501 58 Bảng 5.2: Các thông số cho việc mô 60 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AODV Ad hoc On-demand Distance Vector AP Access Point ARP Address Resolution Protocol CBR Constant Bit Rate DREAM Distance Routing Effect Algorithm for Mobility DSDV Destination Sequence Distance Vector DSR Dynamic Source Routing GLONASS GLObal Navigation Satellite System GLS Grid Location Service GPS Global Position System GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing GPSS Geographical Region Summary Service HLS Hierarchical Location Service IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IFQ InterFace Queue IP Internet Protocol ISO International Organization for Standardization LAN Local Area Network LAR Location-Aided Routing protocol LLC Link Layer Control LS Link-State LSI Location Server Identification LSPs Link-State Packets MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad-hoc NETwork MN Mobile Node NS-2 Network Similator ix PHỤ LỤC A.2 Kết mô chế độ Perimeter forwarding Bảng A.3 Kết mô tỉ lệ thành công HLS GLS với mật độ 25, 50, 75, 100 node/km2 với vận tốc 10, 30, 50 m/s Vận tốc (m/s)/ Tỉ lệ thành công HLS (%) Tỉ lệ thành công GLS (%) Mật độ node/km2 25 25 50 75 100 50 75 100 10 81 97 98 98 60 70 69 66 30 85 96 98 91 60 68 59 60 50 91 93 92 91 51 59 55 58 Bảng A.4 Kết mô băng thông tiêu tốn HLS GLS với mật độ 25, 50, 75, 100 node/km2 với vận tốc 10, 30, 50 m/s Vận tốc (m/s)/ Băng thông tiêu tốn HLS Băng thông tiêu tốn GLS Mật độ node/km2 (kB/Run) (kB/Run) 25 50 75 100 25 50 75 100 10 1800 3689 5635 7447 1831 3389 4695 6319 30 1886 4044 6013 8004 2069 3757 5323 7323 50 2191 4414 6349 8548 2734 4228 6161 8550 93 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN QUANG VINH Ngày, tháng, năm sinh: 19/01/1984 Nơi sinh: VĨNH LONG Địa liên lạc: 2/6 Chấn Hưng, Phường 6, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh Email: quangvinhsv@gmail.com QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ 09/2001 đến 04/2006: theo học đại học trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, chuyên ngành Điện tử - Viễn thông Từ 09/2007 đến nay: theo học cao học trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 05/2006 đến nay: công tác Trung tâm điện thoại di động CDMA STelecom, Tp Hồ Chí Minh ... TÀI: DỊCH VỤ VỊ TRÍ PHÂN CẤP CHO ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Tìm hiểu tổng quan mạng MANET - Tìm hiểu kiểu định tuyến dựa vào thơng tin vị trí loại dịch vụ vị trí mạng MANET. .. CHƯƠNG 3: DỊCH VỤ VỊ TRÍ PHÂN CẤP HLS CHƯƠNG DỊCH VỤ VỊ TRÍ PHÂN CẤP HLS (Hierarchical Location Service) Một hạn chế dịch vụ vị trí Homezone node tồn server vị trí Việc cập nhật thơng tin vị trí phải... qua dịch vụ vị trí Hiệu việc định tuyến theo vị trí phụ thuộc vào dịch vụ vị trí Đây vấn đề trình bày đánh giá luận văn 1.2 Mục tiêu luận văn Qua trình tìm hiểu vấn đề định tuyến theo vị trí mạng