Đang tải... (xem toàn văn)
Kết quả thực nghiệm cho thấy, giao thức của chúng tôi với các cải tiến về tham số α và định tuyến dựa trên tác tử di động cho các kết quả cải thiện hiệu năng tốt hơn giao thức WC[r]
(1)Các cơng trình nghiên cứu phát triển CNTT Truyền thông Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017
A_WCETT: Giao thức cải thiện hiệu mạng di động tùy biến 5G dựa tác tử di động
A_WCETT: A High-Performance Routing Protocol based on Mobile Agent for Mobile ad hoc Networks in 5G
Vũ Khánh Quý, Nguyễn Đình Hân, Nguyễn Tiến Ban
Abstract: This paper presents a modification of a well-known routing protocol, namely Ad hoc On-Demand Distance Vector, as a solution to improve the performance of mobile ad hoc networks in 5G We adapted the mobile agent technology and a novel metric for routing in those networks The metric is a function of the loss rate, the bandwidth and the end-to-end delay of the link In deed, we established a new tunable parameter to obtain a tradeoff between throughput and delay when computing the new metric As a result, any routing protocol using this metric can always choose a high-throughput and low-delay path between a source and a destination Hence, the achievable performance of the mobile ad hoc networks in 5G has been improved remarkably with our modified routing protocol
Keywords: 5G, MANET, WCETT, AODV, DSR
I GIỚI THIỆU
Mạng di động, đời từ năm 1970, xem công cụ giao tiếp thuận tiện Thế hệ (5G - 5th Generation Mobile Networks) mạng di động định hình kỳ vọng trở thành công nghệ giao tiếp chủ đạo Internet tương lai Với 5G, kiến trúc thành phần mạng di động có thay đổi Ở đây, kiến trúc mạng coi thiết bị trọng tâm thay kiến trúc mạng dựa trạm sở nhằm nâng cao khả phân phối gói tin Các thiết bị di động phải trang bị tốt để thích nghi với vai trị – thành phần trung tâm mạng, đồng thời cần thông minh để hỗ trợ công nghệ truyền
thông hiệu quả, chẳng hạn giao tiếp máy-máy, kết nối thiết bị-thiết bị truyền thông đa điểm [1] Theo [2], khác với hệ trước đây, 5G hệ thống công nghệ hợp nhất, định hướng mạnh mẽ đến khả tăng tốc độ truyền liệu, giảm độ trễ, tiết kiệm lượng chi phí Bên cạnh đó, tổ chức mạng phải đạt đến mức độ linh hoạt thông minh chưa có Trong số kiểu mạng di động phổ biến mạng di động tùy biến (Mobile Ad hoc Network - MANET) có nhiều đặc trưng kiến trúc/tổ chức hoạt động gần với mạng di động 5G [3] (xem Hình 1) Nghiên cứu lĩnh vực cơng nghệ ln có tính kế thừa phát triển, số kết nghiên cứu mạng MANET mở rộng cho mạng di động 5G [4]
Trong báo này, nghiên cứu giao thức định tuyến cải thiện hiệu mạng MANET gắn với bối cảnh 5G Lưu ý hiệu mạng MANET nói chung thấp [5] Do đó, nghiên cứu cải thiện hiệu mạng MANET ln hướng
(2)Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 nghiên cứu thời sự, cấp thiết Hiệu mạng
MANET phụ thuộc vào quy mơ, mơ hình truyền thơng mơi trường giao tiếp vơ tuyến mạng [5] Rõ ràng bối cảnh 5G với sóng siêu cao tần băng cực rộng hệ thống anten dày đặc [2] cho phép mạng MANET cải thiện thông lượng độ trễ truyền tin Tuy nhiên, mật độ trạm sở mật độ thiết bị cao 5G [2] đặt thách thức không nhỏ khả phân phối gói tin mạng MANET Lý xung đột mơi trường tắc nghẽn mạng có xu hướng tăng cao, tỷ lệ với mật độ Cần nhấn mạnh thông lượng, độ trễ truyền tin khả phân phối gói tin nói đến tiêu chí đặc trưng phản ánh hiệu mạng [6]
Trong mạng MANET, nút mạng phải hợp tác với để truyền gói tin, giao thức định tuyến có vai trị đặc biệt quan trọng việc cải thiện hiệu mạng lớp mơ hình OSI [6] Ở phần tiếp theo, thiết lập giao thức định tuyến mới, gọi A_WCETT (Advance Weighted Cumulative Expected Transmission Time), sở mở rộng giao thức định tuyến biết dành cho mạng MANET Ý tưởng dựa tác tử di động để dị tìm thơng tin định tuyến tin cậy Trước hết, khảo sát giao thức định tuyến có để xác định giao thức định tuyến phù hợp với đặc điểm mạng MANET Sau đó, cải tiến, mở rộng thử nghiệm chúng với kỹ thuật truyền thông nhằm cải thiện hiệu mạng
II PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MANET
Trong mạng MANET, hai giao thức định tuyến tiêu biểu IETF (The Internet Engineering Task Force) chuẩn hóa AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) [8] DSR (Dynamic Source Routing) [9] Đây giao thức định tuyến theo yêu cầu, hoạt động dựa nguyên tắc: cần truyền liệu, nút nguồn khám phá tìm tuyến đường đến nút đích
Q trình khám phá tuyến đường bắt đầu việc nút nguồn gửi gói tin quảng bá tìm đường RREQ (Route REQuest) Sau đó, gói tin chuyển tiếp qua nút trung gian để cuối tới nút đích (Hình 2a) Nút đích nút trung gian (nút biết tuyến đường đến đích) phản hồi cách gửi gói tin định danh RREP (Route REPly) nút nguồn Khi nút nguồn nhận gói tin RREP, tuyến đường thiết lập bắt đầu truyền liệu (Hình 2b) Bên cạnh chức khám phá tuyến đường, AODV DSR có thủ tục bảo trì tuyến đường sử dụng gói tin báo lỗi RERR (Route ERRor) [10]
Hình 2a Phát quảng bá gói tin u cầu tìm đường RREQ
(3)Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Mặc dù thiết kế phù hợp với đặc
điểm mạng MANET, AODV DSR có khác biệt AODV không xây dựng trước tuyến đường để truyền liệu từ nguồn đến đích Tuyến đường truyền định nút mạng có liệu đến, dựa vào thông tin trạng hệ thống mà nút thu Đồng thời, AODV cịn sử dụng chuỗi số đích/nguồn để xác định tuyến đường tránh định tuyến lặp vịng Trong đó, DSR xây dựng tuyến đường nút nguồn Nút nguồn xác định đầy đủ chuỗi chặng (hop) từ nút nguồn tới nút đích để truyền tin Do vậy, cấu trúc gói tin RREQ RREP DSR phải mở rộng thêm để chứa thông tin địa nút trung gian Ngồi ra, khác với AODV khơng có chế lưu trữ thơng tin định tuyến, DSR trì nhớ tạm để lưu tuyến đường sử dụng chúng khơng cịn hợp lệ
Cả AODV DSR sử dụng tài nguyên, tiết kiệm lượng hỗ trợ tốt đặc tính kiến trúc/tổ chức mạng tùy biến như: tự tổ chức, tự cấu hình di động Trong so sánh hiệu (xem [10]), AODV phân phối 90% gói tin, hiệu DSR đạt giá trị tốt số chặng tuyến đường thấp Tuy nhiên, sử dụng AODV cho mạng MANET 5G có nhiều điểm thuận lợi so với DSR Lý quy mơ lớn tính chất biến động cao mạng MANET 5G Khi đó, q trình khám phá tuyến đường DSR dẫn đến việc khơng thể đốn định độ dài gói tin điều khiển gói tin liệu
III TÁC TỬ DI ĐỘNG
Trong khoa học máy tính, tác tử thực thể (phần mềm/dữ liệu/gói tin) có khả hoạt động môi trường, tương tác với tác tử khác thực mục tiêu cụ thể Một tác tử di động ứng dụng môi trường mạng MANET gói tin nhỏ (gói tin thăm dị) gửi theo chu kỳ nút lân cận để thu thập thông tin
Giải pháp sử dụng tác tử di động để điều khiển giao thức định tuyến đề xuất gần [11-13] Trong
[11], nhóm nghiên cứu công bố giao thức cải tiến AODV, gọi tắt MARAODV (Mobile Agent -AODV) Giao thức sử dụng thuật toán dựa tác tử di động nhằm nâng cao hiệu giao thức định tuyến AODV mạng MANET Trọng tâm thuật toán hàm đánh giá mật độ lưu lượng qua nút mạng nhằm cân lưu lượng nút tồn mạng giảm tắc nghẽn Kết mơ cho thấy, giao thức định tuyến MAR-AODV có xác suất nghẽn gói tin nhỏ giao thức AODV gốc Các cơng trình cịn lại đề xuất giao thức nhằm giảm độ trễ tiết kiệm lượng dựa tác tử di động (xem thêm [12, 13])
Như trình bày phần giới thiệu, hướng nghiên cứu cải thiện hiệu mạng MANET 5G diễn sôi động Một giải pháp cải thiện hiệu mạng MANET tìm thơng số định tuyến tối ưu, có khả phản ánh độ tin cậy/băng thông tuyến đường dựa vào thơng tin số chặng gói tin phải qua Hơn nữa, đặc tính di động mơi trường mạng MANET, nút mạng liên tục di chuyển làm thay đổi cấu hình mạng Do đó, để nút mạng cập nhật thơng tin đường trước định định tuyến, nút mạng lân cận phải liên tục trao đổi thông tin Chúng đề xuất sử dụng tác tử di động để cập nhật thông tin
(4)Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017
IV GIAO THỨC A_WCETT
Các thông số định tuyến sử dụng mạng MANET phải phản ánh chất lượng, độ ổn định kết nối, số chặng gói tin phải qua Trong mục này, đề xuất giao thức sử dụng trọng số tích lũy dự kiến thời gian truyền WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission Time) để tìm tuyến đường có thông lượng đầu cuối cao Trước hết, giao thức tiến hành gán trọng số cho chặng dựa chất lượng kết nối Sau đó, trọng số kết hợp để lựa chọn tuyến đường phù hợp Phương pháp tính tốn cụ thể chúng tơi trình bày mục sau
A Số lần truyền dự kiến
Theo định nghĩa IETF AODV [8], chi phí tuyến đường tính tổng số chặng (số hop) mà gói tin phải từ nguồn đến đích Tuy nhiên, định lựa chọn tuyến đường dựa chi phí chưa phải phương án tối ưu Để cải thiện hiệu mạng MANET, Couto nhóm nghiên cứu [14] đề xuất tham số định tuyến để tính chi phí đường ETX (Expected Transmission Count) ETX số lần truyền dự kiến lớp liên kết cần thiết để truyền tải thành cơng gói tin kết nối, bao gồm truyền lại ETX tuyến đường tổng ETX kết nối tuyến đường Ví dụ, ETX tuyến đường gồm chặng với kết nối hoàn hảo 3; ETX tuyến đường chặng với tỷ lệ phân phối gói tin thành cơng 50%
Để xác định ETX, nút gửi gói tin nhỏ để thăm dị tới nút láng giềng Sau đó, 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 thành cơng Khi đó, xác suất dự kiến kiện truyền/nhận thành công kết nối × Số lần truyền dự kiến kết nối (một kết nối hai nút liền kề) xác định theo công thức sau:
( ) (1)
ETX tuyến đường p, tổng ETX kết nối l, với l thuộc vào p
( ) ∑ ( ) (2)
Giao thức định tuyến lựa chọn tuyến đường dựa thông tin tỉ lệ phân phối gói tin kết nối Chi phí ETX thích hợp so với chi phí sử dụng số chặng Các kết mơ [14] cho thấy hiệu mạng MANET cải thiện rõ rệt sử dụng chi phí ETX thay sử dụng số chặng Tuy nhiên, chi phí ETX có hạn chế xem xét tỷ lệ phân phối gói tin mà chưa xét đến tốc độ truyền liệu (ảnh hưởng trễ truyền dẫn)
B Dự kiến thời gian truyền
Chi phí ETT (Expected Transmission Time) sau đề xuất [15] để cải thiện hạn chế ETX Ở đây, ETT tích hợp tốc độ truyền liệu kết nối vào ETX Nói cách khác, ETT xác định ETX (số lần truyền dự kiến kết nối) nhân với băng thông kết nối để thu chi phí thời gian cần thiết cho việc truyền gói tin kết nối Ký hiệu S kích cỡ gói tin (ví dụ, 1024 byte) B băng thông kết nối l ETT kết nối l xác định theo công thức sau:
( ) ( ) ( ) (3)
(5)Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017
C Trọng số tích lũy thời gian truyền
Khi sử dụng ETT, chi phí tuyến đường tổng chi phí kết nối thuộc tuyến đường Tuy nhiên, chi phí thực khác với chi phí tính tốn chưa tính đến nhiễu đồng kênh nút mạng sử dụng kênh truyền Để cải thiện điều này, chi phí trọng số tích lũy thời gian truyền (WCETT) [15] đề xuất với mục đích đặc biệt giảm nhiễu đồng kênh Giải pháp thực cố gắng giảm thiểu số lượng nút sử dụng kênh toàn tuyến đường Kỹ thuật cụ thể triển khai dùng trọng số bình quân để cân tổng chi phí tồn tuyến với ảnh hưởng kênh bị thắt nút cổ chai Về chi tiết, [15] không đưa cách xác định giá trị , dựa kết thực nghiệm để xác định phù hợp
Xét tuyến đường gồm P chặng, tổng thời gian truyền chặng kênh j (giả sử hệ thống có tối đa k kênh) xác định sau:
∑ ( ) (4) Chúng ta dễ dàng nhận thấy, thông lượng toàn tuyến bị chi phối kênh nút cổ chai (kênh j có giá trị lớn nhất) Chúng tơi đề xuất sử dụng trọng số bình qn α giá trị lớn tổng ETT tuyến Gọi hàm tính chi phí giao thức WCETT mở rộng A_WCETT, ta có cơng thức:
{
∑ ( )
( ) ∑ ( ) ( )
(5) Có hai cách để giải thích cách xác định thơng số α Thứ nhất, xem cân ảnh hưởng thơng lượng tồn tuyến kênh nút cổ chai kênh khác tuyến Thứ hai, xem thể mối quan hệ chặng có ảnh hưởng đến thơng lượng tồn tuyến Trọng số bình qn xem nỗ lực để cân hai vấn đề Mặt khác, tổng thời gian truyền toàn tuyến P (∑ ( )) thường lớn thời gian truyền kênh có kết nối thắt nút cổ chai ( ) nhiều lần Do đó, để đảm bảo cân ảnh hưởng
hai yếu tố này, xác định hệ số ràng buộc α cơng thức (5) Ví dụ cụ thể cách tính tốn giá trị A_WCETT với giá trị α khác trình bày Hình
Tuyến Tổng ETT Max (X
j)
A-WCETT
(α=1)
A-WCETT
(α=2)
A-WCETT
(α=5)
1 27 22 24,5 25,3 26,2
2 33 22 27,5 29,3 31,2
3 34 20 27 29,3 31,7
4 6,7 7,3
Hình Minh họa ảnh hưởng thơng số α đến chi phí A_WCETT
V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH
Trong mục này, thiết lập mô phần mềm NS2 để đánh giá hiệu hệ thống mạng MANET theo tiêu chí: thời gian trễ trung bình, thơng lượng trung bình tỉ lệ phân phối gói tin Các giao thức định tuyến thử nghiệm là: AODV, WCETT giao thức đề xuất Mục IV, gọi A_WCETT
Hệ thống mô gồm 100 nút di động bố trí ngẫu nhiên vùng có diện tích 500 m × 500 m Chúng sử dụng chuẩn IEEE 802.11b tốc độ 11 Mbit/s sử dụng kiểu lưu lượng truyền UDP Mô thực 150 giây Số lượng lưu lượng đo 5, 10, 15, 20, 25 30 Các thơng số mơ tóm tắt Bảng
S S S S 2. 1.
3.
4.
ETT = ETT = 5 ETT = 12
D
ETT = ETT = 5 ETT = 12
D ETT = 6
ETT = ETT = 7 ETT = 11
D ETT = 7
ETT = 2 ETT = 2 ETT = 2
D ETT = 2
(6)Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 Bảng Các tham số mô
Tham số Giá trị
Vùng mơ 500 m×500 m
Số nút di động 100
Loại lưu lượng CBR
Thông lượng truyền 11 Mbit/s Kích thước gói tin 1024 byte Thời gian mô 150 giây
Lớp MAC 802.11b
Lớp vận chuyển UDP
Trong thí nghiệm (Hình 5a), chúng tơi thực đánh giá hiệu ba giao thức dựa tiêu chí Trễ trung bình Kết cho thấy, hai giao thức WCETT A_WCETT có thời gian trễ thấp hẳn giao thức AODV Điều phản ánh kết thực nghiệm phù hợp với lý thuyết Thực chất, WCETT A_WCETT hoạt động đa kênh, nên có tốc độ truyền liệu cao giảm tắc nghẽn hệ thống Tuy nhiên, số kết nối đầu-cuối tăng lên đến 20, trễ trung bình ba giao thức có xu hướng tăng Mặc dù vậy, trễ AODV gây cao so với hai giao thức cịn lại
Hình 5a Đánh giá hiệu dựa theo tiêu chí: Trễ trung bình
Hình 5b Đánh giá hiệu dựa theo tiêu chí: Thơng lượng trung bình
Hình 5c Đánh giá hiệu dựa theo tiêu chí: Tỉ lệ phân phối gói tin
(7)Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 17 (37), tháng 6/2017 số kết nối đầu-cuối tăng, thông lượng hệ thống
cả ba giao thức giảm Đặc biệt, số tăng đến 25, thông lượng hệ thống giảm mạnh khả xung đột môi trường tắc nghẽn hệ thống cao Trong trường hợp số kết nối đầu-cuối lớn, mạng MANET có xu hướng tắc nghẽn diện rộng A_WCETT không cải thiện WCETT
Thí nghiệm thứ chúng tơi sử dụng để đánh giá hiệu ba giao thức dựa tỉ lệ phân phối gói tin Kết mơ trả Hình 5c cho thấy: tỉ lệ phân phối gói tin ba giao thức cao số lưu lượng truyền thấp, đạt gần 99% Khi số lưu lượng tăng lên đến 25, tỉ lệ phân phối gói tin có xu hướng giảm mạnh
Kết mô chi tiết cho thấy: giao thức A_WCETT cải thiện độ trễ thông lượng tốt giao thức WCETT tối ưu tham số α 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 nhiều lần so với giao thức AODV Một vấn đề cần quan tâm hiệu giao thức A_WCETT, chi phí hệ thống liên quan đến sử dụng tác tử di động Tuy nhiên, tác giả [11] chứng minh việc tích hợp tác tử di động làm tăng độ trễ truyền tải, mức độ tăng không đáng kể
VI KẾT LUẬN
Trong cơng trình này, chúng tơi đề xuất giao thức định tuyến theo yêu cầu cho mạng MANET, gọi A_WCETT Giao thức cải tiến từ AODV, hoạt động đa kênh dựa tác tử di động Kết thực nghiệm cho thấy, giao thức với cải tiến tham số α và định tuyến dựa tác tử di động cho kết cải thiện hiệu tốt giao thức WCETT Kết thực nghiệm chứng minh hai giao thức A_WCETT WCETT cho giá trị thông lượng cao độ trễ thấp nhiều lần giao thức AODV Tuy nhiên, vấn đề bảo mật thông tin định tuyến dựa tác tử di động chưa
được xem xét Trong thời gian tiếp theo, tập trung vào việc đề xuất giao thức định tuyến có khả bảo mật mạng hệ
LỜI CẢM ƠN
Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Quỹ học bổng Motorola Solutions tài trợ phần kinh phí cho nghiên cứu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] F BOCCARDI et al., “Five Disruptive Technology
Directions for 5G” IEEE Commun Mag., vol 52, no
2, pp 74–80, 2014
[2] J G ANDREWS et al., “What Will 5G Be?” IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, vol 32, no 6, pp 1065-1082, 2014
[3] J LIU, H NISHIYAMA, N KATO, T KUMAGAI,
A TAKAHARA, “Toward Modeling Ad Hoc
Networks: Current Situation and Future Direction”
IEEE Wireless Communications, vol 20, no 6, pp 51-58, 2013
[4] N.D HAN, C YOUNGHWA, J MINHO, “Green Data
Centers for Cloud-Assisted Mobile Ad-Hoc Network in
5G” IEEE Network, vol 29, no 2, pp 70-76, 2015
[5] J LI, B CHARLES, S.J.D.C DOUGLAS, H.I LEE,
M ROBERT, “Capacity of Ad Hoc Wireless
Networks” In Proceedings of ACM MobiCom, USA,
2011, pp 61-69
[6] M GARETTO, P GIACCONE, E LEONARDI, “On
the Capacity of Ad Hoc Wireless Networks Under
General Node Mobility” In Proceedings of IEEE
INFOCOM, AK, 2007, pp 357-365
[7] M GROSSGLAUSER, D.N.C TSE, “Mobility
Increases The Capacity of Ad Hoc Wireless
Networks” IEEE/ACM Transactions on Networking,
vol 10, no 4, pp 477-486, 2002
[8] RFC3561, “https://www.ietf.org/rfc/rfc3561.txt”,
accepted 19/10/2014
[9] RFC4728, “https://www.ietf.org/rfc/rfc4728.txt”,
accepted 19/10/2014
[10] S SALIM, S MOH, “On-Demand Routing Protocols
for Cognitive Radio Ad Hoc Networks” EURASIP