Đồ án xây dựng mô hình lựa chọn thuật toán định tuyến giảm thiểu tỷ lệ mất gói trong mạng AD HOC

Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ vi DANH MỤC HÌNH VẼ .viii DANH MỤC BẢNG ix LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Khái niệm mạng Ad hoc không dây 1.2 Những vấn đề thách thức truyền tin qua mạng Ad hoc CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MẠNG AD HOC VÀ TRUYỀN TIN QUA MẠNG AD HOC 2.1 Lịch sử phát triển mạng Ad hoc 2.2 Những đặc điểm mạng Ad hoc 2.2.1 Phân loại mạng Ad hoc 2.2.2 Đặc điểm mạng Ad hoc 2.3 Những thách thức truyền tin qua mạng Ad hoc 2.3.1 Môi trường truyền dẫn 2.3.1.1 Lỗi bit mạng không dây 2.3.1.2 Sự dao động kết nối không dây 2.3.1.3 Di động 2.3.1.4 Kết nối tới mạng có dây 10 2.3.1.5 Băng thông kênh thấp 11 2.3.2 Bảo mật thông tin 11 2.3.3 Vấn đề định tuyến 12 2.3.4 Một số vấn đề khác 14 2.4 Một số giải pháp nâng cao chất lượng truyền tin qua mạng Ad hoc 14 2.5 Giải pháp nâng cao chất lượng truyền tin với lựa chọn định tuyến 14 2.5.1 Các nguyên lý định tuyến mạng Ad hoc 15 2.5.2 Giải pháp nâng cao chất lượng truyền tin với lựa chọn định tuyến 16 CHƯƠNG III: MỘT SỐ GIAO THỨC ĐIỂN HÌNH VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CHO MẠNG AD HOC 17 3.1 Giao thức DSDV (giao thức Vector khoảng cách chuỗi đích) 17 3.1.1 Tổng quan giao thức 17 3.1.2 Cấu trúc bảng định tuyến 17 3.1.3 Cơ chế hoạt động 18 3.1.4 Tiêu chuẩn để lựa chọn tuyến 19 3.1.5 Ví dụ hoạt động DSDV 20 3.1.5.1 Giảm thay đổi thất thường 23 3.1.6 Kết luận 24 3.2 Giao thức DSR (định tuyến nguồn động) 25 3.2.1 Giới thiệu 25 3.2.2 Cơ chế hoạt động giao thức 25 3.2.3 Phát tuyến DSR 26 3.2.4 Duy trì tuyến DSR 28 3.2.5 Các tính phát tuyến gia tăng 28 3.2.5.1 Lưu thông tin định tuyến Overhead 28 Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Mục lục 3.2.5.2 Hồi âm Route Request sử dụng tuyến lưu 29 3.2.5.3 Ngăn ngừa nhiễu Route Reply 30 3.2.5.4 Giới hạn bước Route Request 30 3.2.6 Các tính trì tuyến gia tăng 30 3.2.6.1 Cứu gói liệu 30 3.2.6.2 Tự động làm ngắn tuyến 31 2.2.6.3 Giảm truyền thông báo Route Error 31 3.2.7 Hỗ trợ cho mạng di động Mobile IP 31 3.2.8 Kết luận 32 3.3 Giao thức TORA (thuật toán định tuyến thứ tự tạm thời) 33 3.3.1 Tổng quan giao thức 33 3.3.2 Hoạt động giao thức TORA 33 3.3.3 Các chế 34 3.3.3.1 Cơ chế tạo tuyến 35 3.3.3.2 Cơ chế trì tuyến 36 3.3.3.3 Cơ chế xóa tuyến 37 3.3.4 Kết luận 37 3.4 Giao thức AODV (giao thức Vector khoảng cách theo yêu cầu) 38 3.4.1 Tổng quan giao thức 38 3.4.2 Hoạt động AODV 39 3.4.2.1 Duy trì số 39 3.4.2.2 Quản lý bảng định tuyến 40 3.4.3 Phát tuyến 41 3.4.3.1 Thiết lập tuyến ngược 42 3.4.3.2 Thiết lập tuyến 42 3.4.5 Duy trì tuyến 43 3.4.6 Quản lý kết nối nội 44 3.4.7 Ví dụ hoạt động AODV 44 3.4.8 Kết luận 44 3.5 Tóm lại 45 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH LỰA CHỌN THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN ĐỂ GIẢM TỶ LỆ MẤT GÓI 46 4.1 Bài toán thực tế 46 4.2 Mơ tả tốn định tuyến áp dụng cho nút mạng Ad hoc giao thông 47 4.3 Mơ hình hệ thống lựa chọn thuật tốn định tuyến 47 4.3.1 Mơ hình tổng quát cho hệ thống lựa chọn định 47 4.3.2 Cấu tạo nút mạng di động có phần định 49 4.4 Hoạt động mơ hình lựa chọn thuật tốn định tuyến giảm thiểu tỷ lệ gói 52 4.5 Lựa chọn phương pháp định cho mơ hình 54 4.6 Xây dựng hàm định 55 CHƯƠNG V: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 56 5.1 Phần mềm NSZ2 56 5.1.1 Giới thiệu phần mềm NSe2 56 5.1.2 Hỗ trợ hoạt động NSe2 57 5.2 Phương pháp mô 58 5.3 Thực mô xây dựng hàm định 59 Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Mục lục 5.3.1 Mô tả kịch mô 59 5.3.2 Thiết lập mơ hình lưu lượng 59 5.3.3 Thiết lập mơ hình di động 60 5.3.4 Thông số để đánh giá 61 5.3.5 Thực mô 61 5.3.5.1 Mã lệnh tạo nút mạng di động 61 5.3.5.2 Mã lệnh thiết lập tham số chương trình 62 5.3.6 Kết mô 62 5.3.6.1 Hình ảnh minh họa mơ 62 5.3.6.2 Dữ liệu tạo qua mô 63 5.3.6.3 Đánh giá kết mô 63 5.3.7 Ra định lựa chọn thuật toán định tuyến 65 5.4 Mơ cho tốn ứng dụng mạng Ad hoc giao thông 66 5.4.1 Mô tả kịch mô 66 5.4.2 Thực mô 67 5.4.3 Đánh giá mức độ áp dụng 67 5.5 Tổng kết 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 73 Thuật toán Bellman – Ford 73 Thuật toán đảo ngược liên kết (Link veversel) 73 Ví dụ hoạt động AODV 74 Hướng dẫn cài đặt NSZ2 76 Hướng dẫn bóc tách liệu tính tốn Cygwin 78 Hướng dẫn chạy chương trình mơ 79 Mã code chương trình 79 7.1 Mã lệnh tạo nút di động 79 7.2.Mã lệnh chương trình mơ thực xây dựng hàm định 81 7.3 Mã lệnh chương trình mơ ứng dụng cho giao thơng 82 Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Danh mục ký hiệu chữ viết tắt thuật ngữ DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ACK AGT Acknowlegment Agent Level Trace Ad hoc On Demand Distance AODV Vector Application Programming API Interface ARP Address Resolution Protocol CBR Constant Bit Rate CDPD Cellular Digital Packet Data CTS Clear_to_send DAG Directed Acyclic Graph Defense Advanced Research DARPA Projects Agency Destination Sequence Distance DSDV Vector DSR Dynamic Source Routing FIFO First In First Out Global Mobile Information GLoMo System IFq InterFace queue IP Internet Protocol LL Link Layer MAC Medium Access Control MANET Mobile Ad hoc NETwork MH Mobile Host NAM Network AniMator NPDU Network Protocol Data Unit NSZ2 NTDR OSI Otcl PRNET QRY RERR Network Simulator version Near Term Digital Radio Open System Interconnection Object Tool Command Language Packet Radio NETwork Query (TORA) Route Error Bản tin xác nhận Trace mức tác nhân Giao thức Vecter khoảng cách theo yêu cầu Giao diện lập trình ứng dụng Giao thức chuyển đổi địa Tốc độ bit khơng đổi Cơng nghệ liệu gói số tế bào Gói u cầu xóa Đồ thị liên thơng có hướng Cơ quan quản lý dự án nghiên cứu cao cấp Bộ quốc phòng Mỹ Giao thức Vector khoảng cách chuỗi đích Giao thức định tuyến nguồn động Vào trước trước Hệ thống thông tin di động toàn cầu Hàng đợi giao diện Giao thức Internet Lớp liên kết Điều khiển truy nhập phương tiện Mạng Ad hoc di động Máy chủ di động Hình ảnh động mạng Đơn vị liệu giao thức mạng Chương trình mơ mạng phiên Vơ tuyến số hạn gần Liên kết hệ thống mở Ngôn ngữ lệnh cơng cụ đối tượng Mạng vơ tuyến gói Gói truy vấn Gói lỗi tuyến Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp RR RREP RREQ RTR RTS SUSAN TORA UPD WLAN Danh mục ký hiệu chữ viết tắt thuật ngữ Route Request (TORA) Route Reply Route Request (AODV) Routing Trace Level Request_to_send SUrvivable Adaptive Network TemprallaZOrdered Routing Algorithm Update (TORA) Wireless Local Area Network Gói yêu cầu tuyến Gói trả lời tuyến Gói yêu cầu tuyến Mức trace định tuyến Gói u cầu Mạng có khả thích nghi Giao thức định tuyến thứ tự tạm thời Gói cập nhật Mạng cục không dây Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một mạng Ad hoc với nút mạng di chuyển theo hướng tốc độ khác Hình 2.1: Tính động mạng Ad hoc Hình 3.1Z Sự di chuyển mạng AdZhoc 20 Hình 3.2Z Các tuyến thay đổi thất thường 23 Hình 3.3: ví dụ phát tuyến: nút A nút khởi đầu nút E nút đích 26 Hình 3.4 Những giới hạn việc lưu thông tin định tuyến overhead: nút mạng C từ gửi gói tới E gói overhear từ X 29 Hình 3.5: Ví dụ hồi âm RR sử dụng tuyến lưu 29 Hình 3.6: Nút mạng C thông báo tuyến nguồn tới D ngắn nhất, tình cờ nghe gói từ A định tới B 30 Hình 3.7: Các nút mạng kết nối thơng qua sóng ngắn 32 Hình 3.8: Mơ tả khái niệm thiết lập hướng DAG 34 Hình 3.9: Hoạt động TORA 37 Hình 3.10: Hình ảnh trực quan mạng chiến lược 38 Hình 3.11: Sự hình thành tuyến ngược 43 Hình 4.1: Mơ tả hình dạng mơ hình xây dựng 47 Hình 4.2: Mơ hình truyền thơng chung nút mạng di động 48 Hình 4.3: Mơ hình truyền thơng có phần lựa chọn định tuyến 48 Hình 4.4: Cấu tạo nút mạng di động mơ hình 50 Hình 4.5: Biểu đồ hoạt động mơ hình lựa chọn thuật tốn định tuyến giảm thiểu tỷ lệ gói mạng Ad hoc 53 Hình 4.6: Các bước mô để xây dựng hàm định 55 Hình 5.1: Cấu trúc chương trình mơ NSZ2 57 Hình 5.2: NSZ2 hỗ trợ mơ tầng mơ hình OSI 58 Hình 5.3 Phương pháp thực mô 58 Hình 5.4: Hình ảnh nút mạng truyền phát tín hiệu 62 Hình 5.5: Đồ thị tỷ lệ gói, số nút nguồn 10, tốc độ di chuyển lớn 20m/s 64 Hình 5.6: Đồ thị tỷ lệ gói, số nút nguồn 20, tốc độ di chuyển lớn 20m/s 64 Hình 5.7: Đồ thị tỷ lệ gói, số nút nguồn 10, tốc độ di chuyển lớn 1m/s 64 Hình 5.8: Đồ thị tỷ lệ gói, số nút nguồn 20, tốc độ di chuyển lớn 1m/s 65 Hình 5.9: Mơ nút mạng Ad hoc toán áp dụng mạng Ad hoc cho tuyến đường giao thông 67 Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1Z Cấu trúc bảng định tuyến truyền MH4 21 Bảng 3.2Z Bảng định tuyến quảng bá MH4 21 Bảng 3.3Z Bảng định tuyến truyền MH4 cập nhật 22 Bảng 3.4Z Bảng định tuyến quảng cáo MH4 (đã cập nhật) 22 Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Sự phát triển thiết bị phần cứng tạo động lực để mạng di động phát triển với nhiều loại hình mạng dịch vụ khác Trong số loại hình mạng, mạng Ad hoc thu hút nhiều quan tâm giới chuyên môn Với đặc điểm bật như: khả không sử dụng sở hạ tầng, nút mạng di chuyển theo hướng tốc độ tùy ý, mạng Ad hoc đáp ứng yêu cầu khắt khe ứng dụng môi trường đặc biệt như: chiến trường, thám hiểm, lị vũ khí hạt nhân, nơi xảy thiên tai, hỏa hoạn… Tuy nhiên, mạng Ad hoc gặp nhiều thách thức mơi trường truyền thơng đặc điểm Vì vậy, việc đảm bảo chất lượng truyền tin mạng Ad hoc vấn đề cần quan tâm Nếu mạng cố định, định tuyến vấn đề khơng thể thiếu mạng Ad hoc Z mạng định tuyến động Z định tuyến chế quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ Vậy làm để nâng cao chất lượng truyền tin mạng Ad hoc? Với suy nghĩ trên, với định hướng dẫn TSKH Hoàng Đăng Hải em chọn đề tài “Xây dựng mơ hình lựa chọn thuật tốn định tuyến giảm thiểu tỷ lệ gói mạng Ad hoc” Mục tiêu đồ án nghiên cứu vấn đề định tuyến mạng Ad hoc xây dựng mơ hình lựa chọn thuật toán định tuyến để giảm thiểu tỷ lệ gói Trên sở đó, đồ án xem xét khả áp dụng mơ hình cho tốn giao thơng Để đạt mục tiêu đồ án tập trung nghiên cứu số giao thức định tuyến hỗ trợ cho Ad hoc, xây dựng mơ hình giảm thiểu tỷ lệ gói thực mô hệ thống Do thời gian thực đồ án có hạn nên khn khổ đồ án em xin tập trung nghiên cứu giao thức định tuyến DSDV, DSR, AODV, TORA (trong số 30 giao thức hỗ trợ cho Ad hoc); thực mô với ba giao thức DSDV, DSR, AODV; xây dựng mơ hình giảm thiểu tỷ lệ gói cho mạng Ad hoc sở xây dựng lý thuyết hàm định Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Chương I: Đặt vấn đề CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ Mạng truyền thông năm qua phát triển không ngừng Bên cạnh phát triển Kinh tế nhu cầu ngày cao người, phải kể đến nhu cầu thông tin liên lạc Sự xuất công nghệ không dây đưa người tiến đến gần với dịch vụ mà trước tưởng tượng Ngày có nhiều người sử dụng mong muốn có thiết bị thật gọn nhẹ tiện ích Điều đặt yêu cầu hệ thống truyền thơng, là: phải thực kết nối nút mạng di động người sử dụng di chuyển tự do, đảm bảo truyền liệu (GPS, hình ảnh) âm nút, tiện dụng cho việc sử dụng Compaq, iPaq, Pocket, PC… Tuy nhiên, việc thiết lập truyền thông dựa điểm truy nhập cố định sở hạ tầng backbone thực như: sở hạ tầng triển khai vùng chịu thảm họa vùng chiến tranh, sở hạ tầng khơng thích hợp với vô tuyến ngắn hay Bluetooth (~ 10m) Do đó, cần mạng thỏa mãn u cầu: khơng có cấu trúc, tự khởi động, tự cấu hình… Mạng Ad hoc không dây đời thỏa mãn yêu cầu Vậy, mạng Ad hoc không dây mạng nào? 1.1 Khái niệm mạng Ad hoc không dây Mạng Ad hoc không dây tập hợp hai nhiều thiết bị, nút mạng thiết bị đầu cuối kết nối khơng dây có khả hoạt động mạng liên lạc với nút mạng khác không cần đến sở hạ tầng giúp đỡ người quản lý trung tâm [8, tr.01] Mỗi nút mạng mạng Ad hoc không dây hoạt động vừa máy chủ vừa định tuyến tham gia vào việc phát trì tuyến tới nút mạng khác mạng Các nút mạng Ad hoc di chuyển theo hướng tốc độ cách ngẫu nhiên Do tơpơ mạng Ad hoc thay đổi động Các mạng Ad hoc thường hữu ích hoạt động tìm kiếm giải cứu, buổi họp hội nghị với nhiều người mong muốn chia sẻ thơng tin cách nhanh chóng Hình 1.1: Một mạng Ad hoc với nút mạng di chuyển theo hướng tốc độ khác Báo cáo Đồ án Tốt nghiệp Chương I: Đặt vấn đề 1.2 Những vấn đề thách thức truyền tin qua mạng Ad hoc Hiện nay, môi trường di động thu hút quan tâm nhiều người mang lại nhiều tiện ích Mơi trường di động xóa dần khoảng cách mặt địa lý, làm cho người gần Bên cạnh lợi ích mà môi trường di động mang lại, phải đứng trước thách thức môi trường để phát triển mạng dịch vụ mạng Những giới hạn môi trường di động: Z Gói bị lỗi truyền thơng Z Các kết nối có dung lượng thay đổi Z Do có di động nên việc đứt kết nối, phân mảnh thường xuyên xảy Z Giới hạn băng thông truyền Z Quảng bá tự nhiên thông tin (thừa thông tin) Z Khả tắc nghẽn cao Giới hạn khả di động: Z Thay đổi động tôpô định tuyến Z Các hệ thống ứng dụng thiếu nhận thức di động Những giới hạn máy di động: Z Khả lưu trữ bị giới hạn Z Khả xử lý máy di động có hạn Ad hoc phát triển mơi trường di động, nhiều chịu tác động thách thức Bên cạnh đó, Ad hoc với đặc điểm bật tôpô thay đổi động gây ảnh hưởng tới chất lượng dịch vụ mạng Việc người sử dụng di chuyển theo hướng tốc độ cách tùy ý làm cho tôpô mạng thường xuyên thay đổi, phải định tuyến liên tục dự báo Điều làm tăng tỷ lệ gói mạng, giảm hiệu truyền thơng Việc gói gây thiếu hụt thơng tin làm cho thơng tin khơng cịn xác Với liệu loại voice tạm chấp nhận được, thông tin định tuyến hay liệu loại khác phải định tuyến lại gửi lại Như làm tăng thời gian thực hiện, ảnh hưởng tới mục tiêu khác mạng Ad hoc (định tuyến, bảo mật, di động, tiết kiệm tài nguyên, nguồn điện… ) Để giải vấn đề tỷ lệ gói cao, giải pháp hữu hiệu lựa chọn thuật tốn định tuyến thích hợp Lựa chọn thuật tốn định tuyến thích hợp ... em chọn đề tài ? ?Xây dựng mơ hình lựa chọn thuật toán định tuyến giảm thiểu tỷ lệ gói mạng Ad hoc? ?? Mục tiêu đồ án nghiên cứu vấn đề định tuyến mạng Ad hoc xây dựng mơ hình lựa chọn thuật tốn định. .. lượng mạng làm giảm tỷ lệ gói Vì đồ án này, em xin tập trung nghiên cứu đặc điểm định tuyến mạng Ad hoc, xây dựng mô hình chọn lựa thuật tốn định tuyến cách linh để giảm thiểu tỷ lệ gói thực mô. .. CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH LỰA CHỌN THUẬT TỐN ĐỊNH TUYẾN ĐỂ GIẢM TỶ LỆ MẤT GÓI 46 4.1 Bài toán thực tế 46 4.2 Mô tả toán định tuyến áp dụng cho nút mạng Ad hoc giao thơng