Nghiên cứu các giao thức định tuyến aodv, dsr và olsr trong hệ thống mạng manet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN TOÀN QUYỀN NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR VÀ OLSR TRONG HỆ THỐNG MẠNG MANET LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Đà Nẵng - Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN TOÀN QUYỀN NGHIÊN CỨU CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR VÀ OLSR TRONG HỆ THỐNG MẠNG MANET Chuyên ngành : HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số : 60.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN SƠN Đà Nẵng - Năm 2016 L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực, đƣợc đồng tác giả cho phép sử dụng chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Toàn Quyền MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 4 Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết dự kiến CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MANET 1.1 MẠNG KHÔNG DÂY 1.1.1 Giới thiệu mạng không dây 1.1.2 Phân loại mạng không dây 1.1.3 Những đặc điểm mạng không dây 11 1.2 MẠNG DI ĐỘNG TÙY BIẾN MANET 11 1.2.1 Giới thiệu mạng MANET 11 1.2.2 Các đặc điểm mạng MANET 13 1.2.3 Một số ứng dụng mạng MANET 14 1.3 TIỂU KẾT CHƢƠNG 18 CHƯƠNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR VÀ OLSR TRONG MANET 19 2.1 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỔ ĐIỂN 19 2.1.1 Định tuyến dựa trạng thái liên kết 20 2.1.2 Định tuyến dựa vector khoảng cách 20 2.2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD HOC 21 2.2.1 Các yêu cầu chung 21 2.2.2 Phân loại 24 2.3 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV 28 2.3.1 Khám phá đƣờng 30 2.3.2 Thiết lập đƣờng đảo chiều 31 2.3.3 Thiết lập đƣờng chuyển tiếp 31 2.3.4 Quản lý định tuyến 33 2.3.5 Duy trì đƣờng 34 2.3.6 Xử lý lỗi, hết hạn xóa bỏ tuyến 36 2.3.7 Quản lý kết nối nội vùng 39 2.3.8 Sửa chữa nội vùng 39 2.4 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DSR 42 2.4.1 Cơ chế tạo thông tin định tuyến (Route Discovery) 44 2.4.2 Cơ chế trì thơng tin định tuyến (Route Maintanance) 50 2.5 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN OLSR 51 2.5.1 Cấu trúc tin 52 2.5.2 Hoạt động 56 2.6 SO SÁNH CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN 59 2.7 TIỂU KẾT CHƢƠNG 61 CHƯƠNG MÔ PHỎNG CÁC GIAO THỨC AODV, DSR VÀ OLSR TRONG MÔI TRƯỜNG NS-2 62 3.1 GIỚI THIỆU MÔI TRƢỜNG MÔ PHỎNG NS 62 3.2 MÔ PHỎNG MẠNG KHÔNG DÂY TRONG MÔI TRƢỜNG NS 65 3.2.1 Tạo MobileNode NS 66 3.2.2 Tạo hoạt động cho Node 66 3.2.3 Các thành phần cấu thành mạng MobileNode 67 3.2.4 Các bƣớc viết m tcl để thực thi mơ mạng wireless 69 3.3 THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG ĐỂ MƠ PHỎNG CHO CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO YÊU CẦU TRÊN MẠNG MANET 71 3.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MƠ PHỎNg 72 3.4.1 Mô di chuyển mạng 75 3.4.2 Mô tải mạng 78 3.5 TIỂU KẾT CHƢƠNG 83 ẾT LU N 84 TÀI LIỆU THAM HẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN BẢN (Bản sao) DANH MỤC CÁC HIỆU CÁC CH VIẾT TẮT AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing AP Access Point BSS Basic Service Set DSR Dynamic Source Routing ESS Extended Service sets IBSS Independent Basic Service sets IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers LAN Local Area Network MANET Mobile Ad Hoc Network NAM Network Animator RREP Route Reply OLSR OPTIMIZED LINK STATE ROUTING RREQ Route Request RRER Route Error UWB Ultra-WideBand WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless Persional Area Network WUSB Wireless Universal Serial Bus WWAN Wireless Wide Area Network DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Thông tin lƣu trữ Route Cache thời điểm 47 2.2 Thông tin lƣu trữ Route Cache thời điểm 48 2.3 Thông tin lƣu trữ Route Cache thời điểm 48 2.4 Thông tin lƣu trữ Route Cache thời điểm 49 2.5 So sánh giao thức định tuyến 59 2.6 So sánh giao thức định tuyến 60 3.1 Thông số mô di chuyển mạng 75 3.2 Thông số mô tải mạng 79 DANH MỤC CÁC H NH V Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Minh họa mạng không dây cố định 10 1.2 Minh họa mạng không dây với điểm truy cập cố định 10 1.3 Mơ hình mơ tả khái niệm mạng Ad hoc 12 1.4 Ứng dụng cho dịch vụ kh n cấp có thiên tai 15 1.3 Ứng dụng hội nghị 15 1.5 Ứng dụng cho home networking 16 1.6 Ứng dụng cho mạng cá nhân 16 1.7 Ứng dụng cho mạng xe cộ 17 2.1 Hệ tọa độ mô tả môi trƣờng mạng Ad Hoc 22 2.2 Phân loại giao thức định tuyến mạng Ad hoc 24 2.3 Quá trình gửi yêu cầu khám phá đƣờng 30 2.4 Tóm tắt xử lý nhận nút 35 2.5 Cơ chế xử lý khám phá đƣờng node DSR 45 2.6 Mơ hình mạng Ad Hoc gồm 12 nút 46 2.6.a Nút S phát gói tin RREQ đến nút lân cận A, E, F 47 2.6.b Nút A, F phát gói tin RREQ đến nút F, B, A, K, G 47 2.6.c Nút B, K, G phát gói tin RREQ đến nút C, G, H, K 48 2.6.d Nút H, C phát gói tin RREQ đến nút láng giềng I, D, J 49 2.6.e Nút D phát gói tin RREP nút S theo đƣờng đ khám phá 50 2.7 Minh họa chế trì thơng tin định tuyến 51 2.8 Định dạng gói tin 52 Số hiệu Tên hình hình Trang 2.9 Định dạng tin Hello 53 2.10 Định dạng tin TC 55 2.11 Định dạng tin MID 56 2.12 Định dạng tin HNA 56 2.13 Truyền multi-hop sử dụng OLSR 57 2.14 Thiết lập đƣờng link hai node 57 2.15 Thiết lập mối quan hệ hàng xóm hai node 58 2.16 Minh hoạ MPR 58 3.1 Tổng quan NS dƣới góc độ ngƣời dùng 63 3.2 Luồng kiện cho file Tcl chạy NS 65 3.3 Kiến trúc tầng NS2 65 3.4 M cấu hình di chuyển cho Node 67 3.5 Mô giao thức AODV 72 3.6 Chu n hóa liệu đầu giao thức AODV 73 3.7 Mô giao thức DSR 73 3.8 Chu n hóa liệu đầu giao thức DSR 74 3.9 Mô giao thức OLSR 74 3.11 Tỷ lệ gói tin nhận đƣợc 76 3.12 Độ trễ trung bình 77 3.13 Thơng lƣợng trung bình 77 3.14 Tải thơng tin định tuyến 78 3.15a Tỷ lệ gói tin nhận đƣợc giao thức AODV 79 3.15b Tỷ lệ gói tin nhận đƣợc giao thức DSR 80 3.15c Tỷ lệ gói tin nhận đƣợc giao thức OLSR 80 72 OLSR mơ hình mạng MANET gồm 16 node với trƣờng hợp: - Tất node hệ thống đứng yên: trƣờng hợp này, node hệ thống mạng đƣợc xác định tọa độ cho trƣớc giữ ngun vị trí suốt q trình thực mô - Tất node hệ thống mạng di động: trƣờng hợp này, node hệ thống mạng di chuyển đến vị trí ng u nhiên đƣợc xác định trƣớc 3.4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Sử dụng file giao thức định tuyến: aodv.tcl; dsdv.tcl; dsr.tcl Kết cho hai file *.tr *.nam Ta thực lệnh ns-umolsr aodv.tcl cho giao thức định tuyến AODV s cho file *.nam nhƣ sau : Hình 3.5 M ỏ ứ AODV Sau ta dùng file awk để lọc chu n hóa liệu đầu từ liệu ban đầu b ng cách sử dụng file *.tr với câu lệnh awk –f all.awk out.tr kết : 73 Hình 3.6 C l ầ ứ AODV Ta thực lệnh ns-umolsr dsr.tcl cho giao thức định tuyến DSR s cho file *.nam nhƣ sau : Hình 3.7 M ỏ ứ DSR Sau ta dùng file awk để lọc chu n hóa liệu đầu từ liệu ban đầu b ng cách sử dụng file *.tr với câu lệnh awk –f all.awk out1.tr kết : 74 Hình 3.8 C l ầ ứ DSR Ta thực lệnh ns-umolsr olsr.tcl cho giao thức định tuyến DSR s cho file *.nam nhƣ sau : Hình 3.9 M ỏ ứ OLSR Sau ta dùng file awk để lọc chu n hóa liệu đầu từ liệu ban đầu b ng cách sử dụng file *.tr với câu lệnh awk –f all.awk dd-out.tr kết : 75 Hình 3.10 C l ầ ứ OLSR 3.4.1 Mô di chuyển mạng Với thông số đƣợc thiết lập nhƣ bảng dƣới đây: B T s ỏ Thông số Giá trị Phạm vi truyền d n 250m Băng thông 2Mbps Thời gian mơ 120s Kích cỡ mơi trƣờng mơ 670×670m Số node 16 Loại lƣu lƣợng CBR Tốc độ gửi gói tin packet/s Kích thƣớc gói tin 512 bytes giá trị thời gian tạm dừng 0, 30, 60, 120s 76 a T ệ gói tin nh n H Tỷ l ượ DSR AODV có khả chuyển tiếp gói tin tốt, 85 gói tin tốc độ cao hầu hết ổn định Với OLSR tỷ lệ gói tin nhận đƣợc thấp so với hai giao thức (70 ) thông số di chuyển cao Đồng thời, thông số di chuyển cao việc xây dựng bảng định tuyến giao thức khó khăn, d n đến tỷ lệ nhận gói tin thấp nhƣ Khi thơng số di chuyển thấp, tỷ lệ gói tin nhận đƣợc OLSR c ng cao, 90 b Tr trung bình đầu cu i – đầu cu i Độ trễ trung bình chuyển tiếp gói tin OLSR cao so sánh với DSR AODV Lý vị DSR AODV hai giao thức định tuyến theo yêu cầu, nên dễ dàng thích nghi thơng số di chuyển cao bình thƣờng OLSR có độ trễ cao thơng số di chuyển mạng lớn Khi thông số di chuyển mạng tăng, OLSR khó để hội tụ, độ trễ trung bình giao thức tƣơng đối cao (tỷ lệ chuyển tiếp gói tin khoảng 70 ) 77 Đ Hìn ễ b c Thơng ượng trung bình H T lượ b Khi node thông số di chuyển thấp, thông lƣợng trung bình giao thức c ng tƣơng tự Khi thơng số di chuyển tăng lên, ta thấy thông lƣợng OLSR thấp hẳn so với giao thức kia, điều giải thích tỷ lệ nhận gói tin OLSR thời điểm khoảng 70% 78 d T i thông tin định tuyến H T ế Lƣợng tin định tuyến OLSR ổn định, số lƣợng tin định tuyến AODV DSR có khác Điều lý giải nhƣ sau, OLSR giao thức định tuyến dựa bảng định tuyến, ln cập nhật thông tin định tuyến theo chu kỳ, nên số gói tin định tuyến ổn định Trong đó, AODV DSR hai giao thức định tuyến theo yêu cầu, nhƣng lại có khác DSR khởi tạo thơng tin định tuyến có u cầu kết nối, số lƣợng tin định tuyến DSR nhỏ Tuy nhiên AODV c ng khởi tạo thơng tin định tuyến có u cầu, nhƣng giao thức v n sử dụng gói tin Hello để quảng bá tới nút bên cạnh Điều d n tới di chuyển tốc độ cao, giao thức đ i hỏi nhiều tin định tuyến đến 3.4.2 Mô tải mạng Khi đánh giá ảnh hƣởng tải mạng, ta thay đổi kích thƣớc gói số luồng CBR, nhiên thay đổi tốc độ phản ánh xác hơn, ta sử dụng tình sau: - 10 packet/s - 15 packet/s 79 - 20 packet/s Với thông số khác đƣợc thiết lập nhƣ bảng dƣới đây: B T s ỏ Thông số Giá trị Phạm vi truyền d n 250m Băng thông 2Mbps Thời gian mô 120s Kích cỡ mơi trƣờng mơ 670×670m Loại lƣu lƣợng CBR Kích thƣớc gói tin 512 bytes Số kết nối 20 giá trị thời gian tạm dừng 0, 30, 60, 120s a T ệ gói tin nh n Hình 3.15a Tỷ l ượ ứ AODV 80 H 5b Tỷ l H Tỷ l ượ ượ ứ DSR ứ OLSR Khi tốc độ gửi gói tin 10 packet/s tỷ lệ gói tin nhận đƣợc giảm nhanh thông số di chuyển cao Tại tốc độ 15 packet/s, 20 packet/s AODV DSR hủy bỏ nhiều gói tin hơn, thời gian tạm dừng có khoảng 50-60 gói tin đƣợc nhận Nói chung AODV tỏ tốt DSR b Tr trung bình đầu cu i – đầu cu i Giá trị trễ bị ảnh hƣởng tốc độ gói CBR cao Bộ đệm bị đầy nhanh chóng nên gói tin đệm lâu hơn, ta quan sát tốc độ 20 packet/s DSR có giá trị trễ thấp AODV, điểm khác biệt dễ thấy tốc độ gói tin 10 packet/s OLSR có độ trễ thấp Giá trị trễ cao tất giao thức thông số di chuyển cao hay thời gian tạm dừng b ng tốc độ 81 gói tin 20 packet/s, đệm bị đầy nhanh chóng đƣờng định tuyến tồn dài H Đ H 6b Đ H Đ ễ ễ ễ b b b ứ AODV ứ DSR ứ OLSR 82 c Thông ượng t đầu cu i – đầu cu i Ở tốc độ CBR thấp, thông lƣợng DSR AODV không bị ảnh hƣởng nhiều thông số di chuyển, giá trị vào khoảng 2,5 kbps Với tốc độ CBR cao hơn, thông lƣợng giảm thông số di chuyển tăng, thể tốc độ CBR=10 packet/s, nhiên giảm nh , tốc độ đạt 15 packet/s 20 packet/s Đây c ng kết số lƣợng gói tin bị rơi nhiều H H T 7b T lượ lượ b b ứ AODV ứ DSR 83 H T lượ b ứ OLSR 3.5 TIỂU KẾT CHƢƠNG Chƣơng đ trình bày tóm lƣợc mơ NS2 cơng cụ phân tích kết Tracegraph Từ tác giả thực chƣơng trình mơ đánh giá hiệu ba giao thức định tuyến tiêu biểu OLSR, AODV, DSR đồ hình 16 nút mạng tham gia kết nối liên lạc với nút khác, với môi trƣờng mô 670x670m Các giao thức mô thực đồ hình mạng giống với kịch đƣợc xây dựng Giao thức OLSR thực chuyển tiếp gói liệu tƣơng đối tốt tỷ lệ chuyển động tốc độ di node thấp Tuy nhiên chuyển động node tăng lên tỷ lệ gói rớt cao Hiệu suất giao thức DSR tốt toàn node dịch chuyển, giao thức yêu cầu số byte mào đầu định tuyến tăng Cuối hiệu suất giao thức AODV c ng tốt nhƣ DSR tốc độ node di chuyển giảm đƣợc số byte mào đầu định tuyến Tuy nhiên v n yêu cầu truyền d n nhiều gói mào đầu định tuyến tốc độ di chuyển node cao thực tốn so với giao thức DSR 84 ẾT LUẬN Mạng MANET thách thức nhà nghiên cứu việc tìm giao thức mạng, chu n mạng với mục đích cuối đạt đƣợc hệ thống mạng ổn định hiệu suất khai thác cao dịch vụ truyền thông đa phƣơng tiện Qua thời gian tháng nghiên cứu số giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu mạng MANET Luận văn đ đạt đƣợc số kết quả: ết đạt đƣợc: - Trình bày cách tổng quan hệ thống mạng không dây mạng MANET; yêu cầu thiết bị để triển khai hệ thống mạng không dây; phân tích số cơng nghệ ứng dụng mạng khơng dây; tổng quan ứng dụng mạng MANET sống - Nghiên cứu hoạt động giao thức định tuyến mạng MANET Trên sở chúng tơi đ phân tích chế hoạt động giao thức định tuyến theo yêu cầu thông qua giao thức AODV, DSR OLSR Đánh giá hiệu suất làm việc giao thức để có sở đề xuất việc áp dụng hợp lý giao thức mơ hình mạng cụ thể - Thiết kế số mơ hình mạng MANET phần mềm NS-2 Cài đặt mô giao thức AODV, DSR OLSR để minh họa q trình hoạt động Từ đó, đánh giá hiệu kịch khác theo tỉ lệ gói mất, độ trễ trung bình khả đáp ứng topo mạng thay đổi Hƣớng phát triển: - Nghiên cứu số giao thức để áp dụng hai chế định tuyến theo yêu cầu định tuyến bảng ghi (giao thức lai) - Nghiên cứu cải tiến độ đo hiệu để nâng cao chất lƣợng truyền thơng mơ hình mạng không dây TÀI LIỆU THAM HẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thị Minh Nguyệt (2005), Đ ế s bằ ặ b ỏ MANET, Luận văn cao học Hà Nội [2] Nguyễn Đình Việt (2008), Bài ánh giá hi ă máy tính, Trƣờng Đại học Cơng nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội Tiếng Anh [3] Arun Kumar B R, Lokanatha C Reddy, Prakash S Hiremath (2008), Performance Comparison of Wireless Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols, International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.8 No.6 [4] Geetha Jayakumar, Gopinath Ganapathy (2007), Performance Comparison of Mobile Ad Hoc Network Routing Protocol, International Journal of Computer Science and Network Security, VOL.7 No.11 [5] Georgy Sklyarenko (2005), AODV Routing Protocol, Seminar Technische Informatik, Takustr 9, D-14195 Berlin, Germany [6] McGraw-Hill/Osborne, Certified Wireless Network Administrator Official Study Guide, Copyright © by Planet3 Wireless, Inc [7] Stefano Basagni, Marco Conti, Silvia Giordano, Ivan Stojmenovic, Mobile Ad Hoc Networking, Copyright © 2004 by the Institute of Electrical and Electronics Engineers [8] Subir Kumar Sarkar, T G Basavaraju, C Puttamadappa, Ad Hoc Mobile Wireless Network, Copyright © 2008 by Taylor & Francis Group, LLC [9] Tao Lin (2004), Mobile Ad Hoc Network Routing Protocols: Methodologies and Applications, Blacksburg, Virginia [10] Yinfei Pan, Suny Binghamton (2006), Design Routing Protocol Performance Comparison in NS2: AODV comparing to DSR as Example [11].Yu-Chee Tseng, Wen-Hua Liao, Shih-Lin Wu, Mobile Ad Hoc Networks and Routing Protocols, Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, Edited by Ivan Stojmenovic´Copyright© 2002 John Wiley & Sons, Inc, Chapter 17 Địa ch Internet [12] http://vi.wikipedia.org [13] http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial/index.html [14] http://www.geocities.com/tracegraph/ [15] The network simulator - ns-2 http:// www isi.edu/nsnam/ns/ [16] The ns Manual http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index.html ... NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MANET 1.1 Giới thiệu MANET 1.2 Các đặc điểm MANET 1.3 Phân loại CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN AODV, DSR VÀ OLSR TRONG MANET 2.1 Giao thức định tuyến cổ điển 2.2 Giao. .. thức định tuyến AODV, DSR OLSR hệ thống mạng, từ đƣa khuyết điểm mà giao thức truyền thống áp dụng cho MANET Thông qua việc phân loại giao thức định tuyến MANET để so sánh đánh giá giao thức định. .. khai hệ thống mạng khơng dây ứng dụng tích cực vào MANET Chƣơng 2: Nghiên cứu giao thức định tuyến AODV, DSR OLSR MANET nh m tập trung sâu phân tích số thuật tốn định tuyến truyền thống giao thức