Một mạng truyền thông phải có khả năng trao đổi thông tin giữa bên gửi và bên nhận nhằm phục vụ mục đích chia sẻ. Khả năng gửi thông tin ở tốc độ cao yêu cầu độ trễ
đầu cuối- đầu cuối phải ở mức thấp. Ngoài ra người dùng hiện nay và trong tương lai
có nhu cầu truyền nhiều loại thông tin khác nhau như thoại, dữ liệu, âm thanh, hình ảnh … Do vậy vấn đề chất lượng dịch vụ phải được đặc biệt quan tâm.
Mạng di động Ad-hoc sẽ không hữu ích nếu nó không thể cung cấp được các dịch vụ thông tin ở mức tiêu chuẩn có thể chấp nhận được. Với một topo mạng động, các giao thức cơ bản phải có thể thích nghi với tính động này, đồng thời phải cho chất lượng truyền thông ở mức tương đối tốt. Tuy nhiên, giao thức nào sẽ phù hợp nhất, cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất. Nó phụ thuộc vào cấu trúc và thuộc tính của mạng, sự dịch chuyển cũng như tốc độ của các nút trong mạng... Để đánh giá các điểm khác nhau giữa các giao thức này, em sử dụng 4 thông số đánh giá chất lượng dưới đây.
3.2.1 Trễ đầu trung bình đầu cuối – đầu cuổi
Trễ trung bình đầu cuối – đầu cuối là thời gian mà gói tin truyền trên mạng từ nguồn đến đích. Nó bao gồm tất cả các thời gian trễ trong mạng như trễ trong hàng đợi của bộ đệm, trong quá trình khám phá tuyến, trễ chuyển tiếp gói tin ở các nút trung gian, trễ trong quá trình quảng bá, truyền gói tin và thời gian để truyền lại gói tin (trong trường hợp gói tin bị mất). Có thể tính thời gian trễ như sau:
hoặc: Tdelay = Tbuffer + Trelay + Tprop + Tresend
Thời gian trễ trong bộ đệm được điều khiển bởi đồng hồ ở mỗi nút mạng. Nếu như nút mạng đặt thời gian lớn thì số gói tin bị hủy trên mạng sẽ ít, nhưng thời gian trễ trung bình trên mạng lại lớn và ngược lại.
Những ứng dụng khác nhau yêu cầu những mức trễ gói tin khác nhau. Những ứng dụng nhạy trễ như thoại yêu cầu trễ trung bình trong mạng thấp trong khi những ứng dụng khác như FTP có thể bỏ qua trễ ở một mức nào đó. Với đặc điểm động của mạng Ad- hoc, việc truyền lại gói tin phụ thuộc vào kết nối và độ mạnh của tín hiệu giữa các nút. Do đó có thể làm cho trễ trong mạng tăng. Vì vậy trễ trung bình đầu cuối – đầu cuối là một thước đo tốt đối với các giao thức định tuyến phù hợp với sự thay đổi liên kết trong mạng và cho thấy độ tin cậy của giao thức.
3.2.2 Tỷ lệ mất gói (packet loss)
Tỷ lệ mất gói là tỷ lệ giữa số bản tin bị mất trên đường truyền với số bản tin được gửi tại nguồn, hoặc có thể tính theo công thức
PkL = ( 1 - số bản tin dữ liệu nhận được tại đích số bản tin dữ liệu tại nguồn ) *100
Có nhiều nguyên nhân gây ra mất gói trên đường truyền, làm giảm chất lượng truyền dẫn. Có thể do ảnh hưởng của chiều dài hàng đợi, thời gian xử lý trong hàng đợi, tốc độ phát bản tin, băng thông, phạm vi truyền, nhiễu… Ngoài ra, phương thức hoạt động của giao thức định tuyến cũng là một trong những nguyên nhân chính gây ra mất gói. Thông số này cho biết chất lượng hoạt động, mức độ hoàn chỉnh và tính chính xác của giao thức định tuyến. Giao thức có tỷ lệ mất gói càng thấp càng được đánh giá cao.
3.2.3 Routing overhead
số bản tin định tuyến hay lưu lượng định tuyến cũng tăng khi mạng phát triển. Thông số được sử dụng để đánh giá khả năng mở rộng của giao thức là routing overhead. Routing overhead là số bản tin định tuyến được truyền trong quá trình mô phỏng, đơn vị là ban tin/s hoặc bit/s
Routing overhead = tổng số bản tin định tuyếnthời gian mô phỏng
Khi mạng phát triển, số nút mạng tăng, quá trình truyền tin giữa nguồn và đích phải dựa trên các nút trung gian cũng có nghĩa số bản tin định tuyến trong mạng tăng. Ngoài ra, với đặc điểm topo mạng động, các nút thường xuyên dịch chuyển dẫn tới số kết nối bị đứt cũng tăng do đó cũng tạo ra nhiều bản tin định tuyến.
Thông số này cho biết hiệu năng sử dụng băng thông của giao thức định tuyến: bao nhiêu băng thông được sử dụng cho bản tin định tuyến, bao nhiêu băng thông sẵn có cho các gói tin dữ liệu.
Nguồn của routing overhead là số nút hàng xóm và số chặng mà bản tin đi từ nguồn đến đích, nguyên nhân tạo ra routing overhead là xung đột trong mạng hoặc các bản tin định tuyến lỗi.
Trường hợp lý tưởng là không có bản tin định tuyến, chỉ có gói dữ liệu được truyền trên mạng. Do đó giao thức có routing overhead thấp được đánh giá cao. Tuy nhiên trên thực tế, nếu không có bản tin định tuyến thì mạng không thể hoạt động.
3.3 Tiến hành mô phỏng
3.3.1 Các thông số đầu vào
Lưu lượng:
- Lưu lượng: CBR (constant bit rate). - Kích cỡ mỗi bản tin là 512 byte.
Topo mạng:
- Kích cỡ topo mạng là 500 x 500m, với 30 nút mạng và 20 kết nối. - Tốc độ dịch chuyển tối đa của các nút mạng là 20 m/s.
- Thời gian mô phỏng là 1000s, thời gian dừng xét tại các thời điểm 0, 200, 400, 600, 800, 1000s.
- Các nút mạng dịch chuyển theo mô hình dịch chuyển ngẫu nhiên waypoint.
Cấu hình mạng:
- Hàng đợi DropTail (với chiều dài là 200 bản tín/s) là một thuật toán quản lý hàng đợi đơn giản. Khi hàng đợi đã đầy, nếu có bất kỳ bản tin nào đến, ngay lập tức nó sẽ bị loại cho tới khi hàng đợi có đủ dung lượng để nhận chúng.
- Anten đẳng hướng (omni-directional) là hệ thống anten phát năng lượng đều nhau theo mọi hướng xung quanh trục của nó, là thiết bị chuẩn cho hầu hết các AP. - Mô hình truyền sóng vô tuyến Two Ray Ground: mô hình này xem xét đường
truyền trực tiếp và đường truyền phản xạ từ mặt đất, có hệ số tăng ích ở bên phát và thu là 1, hệ số suy hao là 1.
- Sử dụng kênh truyền wireless theo chuẩn 802.11b với băng thông 2Mbps ở tần số 2.4GHz, phạm vi truyền là 250m.
- Giao thức định tuyến: AODV, DSDV, DSR
3.3.2 Các thông số của giao thức
Giao thức AODV
- Khoảng thời gian hello (HELLO_INTERVAL) : 1000ms - Số lần phát lại bản tin RREQ cho phép (RREQ_RETRIES) : 3
- Thời gian timeout đối với định tuyến của nút (MY_ROUTE_TIMEOUT): 100s - Thời gian timeout của các tuyến hoạt động (ACTIVE_ROUTE_TIMEOUT): 50s - Thời gian timeout của bản tin yêu cầu tuyến (MAX_RREQ_TIMEOUT): 10s
- Số bản tin HELLO cho phép mất (ALLOWED_HELLO_LOSS): 3 - Thời gian sống của một liên kết lỗi (BAD_LINK_LIFETIME): 3000ms
Giao thức DSR
- Độ dài tiêu đề định tuyến của nguồn: 4*n + 4 byte
- Tốc độ gửi trả lời đường định tuyến: 1 bản tin/s
- Thời gian bản tin được lưu trong bộ đệm (SEND_TIMEOUT): 30s - Thời gian kiểm tra bộ đệm (BUFFER_CHECK): 30ms
- Thời gian giữa 2 lần cập nhật định tuyến : 15s
Giao thức DSDV
- Số lần cập nhật mất cho phép trước khi liên kết bị hỏng: 3 - Thời gian quảng bá đường định tuyến: 1s
- TTL mặc định (IP_DEF_TTL): 32
- Thời gian giữa hai lần truyền lại yêu cầu: 15s
3.3.3 Quá trình mô phỏng
Kịch bản mô phỏng
Hình 3-5 Quá trình mô phỏng bằng NS2.
Tệp kịch bản: mô tả sự dịch chuyển của nút mạng trong quá trình mô phỏng.
Tệp truyền thông: mô tả lưu lượng trong mạng.
Tệp đầu ra: gồm file.nam là file topo mạng và file.tr ghi lại quá trình trao đổi bản tin giữa các nút mạng trong thời gian mô phỏng.
3.4 Kết quả mô phỏng
3.4.1 Mô phỏng di chuyển trong mạng
3.4.1.1 Trễ trung bình đầu cuốiđầu cuối
Tệp kịch bản Tệp truyền thông NS2 NAM Xử lý số liệu Tệp đầu ra .nam .tr Gnuplot
Hình 3-6 Trễ trung bình đầu cuối-đầu cuối theo thời gian dừng Từ đồ thị có thể thấy:
Thời gian dừng nhỏ (topo mạng thay đổi nhiều) thì trễ của 3 giao thức lớn hơn khi thời gian dừng lớn (mạng tương đối ổn định).
Trong 3 giao thức, DSDV có thời gian trễ nhỏ nhất, tiếp theo là AODV và DSR có thời gian trễ lớn nhất. Có nhiều nguyên nhân gây trễ trong quá trình bản tin được gửi từ nguồn tới đích như thời gian bản tin trong hàng đợi, thời gian chuyển tiếp cũng như thời gian phát lại bản tin, thời gian khám phá tuyến… Cả 3 giao thức đều sử dụng lưu lượng CBR để truyền bản tin, có chiều dài hàng đợi như nhau do đó coi như thời gian chuyển tiếp, thời gian trong hàng đợi… là như nhau. Chúng chỉ khác nhau ở thời gian khám phá tuyến và duy trì tuyến. Như đã biết, DSDV cập nhật thông tin định kỳ giữa các nút trong mạng, mỗi lần phát bản tin cập nhật, các nút mạng sẽ gửi thông tin của bản thân nút đó với toàn bộ thông tin về các nút đích khác mà nó có trong bảng định
tuyến, do đó thời gian hội tụ của mạng sử dụng giao thức DSDV khá nhanh. Trong khi DSR và AODV là giao thức định tuyến theo yêu cầu, nó chỉ thiết lập tuyến đường đến đích khi được yêu cầu. Do đó, mỗi lần nút nguồn muốn gửi bản tin tới đích, nó lại phải khởi động quá trình khám phá tuyến nếu không tìm thấy tuyến đường thích hợp. Sau đó, nút nguồn lại phải đợi các nút đích gửi bản tin trả lời thì nó mới có thể bắt đầu quá trình trao đổi. Mặt khác trong quá trình duy trì tuyến của DSR, sau khi các nút gửi bản tin dữ liệu tới nút tiếp theo, nó còn yêu cầu các nút này gửi lại một xác nhận. Nếu không nhận được bản tin xác nhận, các nút này sẽ phát lại bản tin đó cho tới khi nhận được xác nhận từ nút tiếp theo. Do đó, DSR có thời gian trễ lớn hơn AODV dù 2 giao thức này đều là giao thức định tuyến theo yêu cầu. Như vậy, cách thức hoạt động của các giao thức là nguyên nhân chính gây ra sự khác biệt về trễ.
3.4.1.2 Tỷ lệ mất gói
Khi topo mạng thay đổi nhiều nhất (thời gian dừng bằng 0) thì tỷ lệ mất gói gần như cao nhất, và giảm dần khi mạng ổn định (thời gian dừng tăng).
Tỷ lệ mất gói của 3 giao thức trong mô phỏng là khá cao do băng thông sử dụng trong mô phỏng theo chuẩn 802.11b là 2Mbps, mỗi nút mạng có trung bình 2 kết nối với chiều dài hàng đợi là 200 bản tin/s tức là khoảng 0.78Mbps, trong khi tốc độ phát gói tại mỗi nút là 300 bản tin/s tức là khoảng 1.1Mbps, chưa tính tới các yếu tố ảnh hưởng khác như phạm vi truyền, nhiễu, thời gian xử lý…
Có thể thấy trong 3 giao thức, DSDV có tỷ lệ mất gói nhiều nhất trong khi DSR và AODV gần như nhau. Do AODV và DSR có quá trình khám phá tuyến tin cậy hơn, bản tin định tuyến chỉ mang thông tin về tuyến đường yêu cầu, các nút mạng không nằm trên tuyến sẽ không tham gia vào quá trình khám phá tuyến. Do đó bảng định tuyến của 2 giao thức này được tối ưu, khi topo mạng thay đổi, các nút mạng kịp thời thông báo cho nhau và tìm một tuyến đường thích hợp khác. Trong khi với giao thức DSDV, mỗi lần cập nhật, các nút mạng sẽ phải gửi toàn bộ thông tin có trong bảng định tuyến của nó. Trong trường hợp topo mạng thay đổi nhiều, có thể sẽ gây ra “cơn bão” các bản tin định tuyến làm các nút không cập nhật được thông tin hoặc cập nhật sai dẫn đến tỷ lệ mất gói cao.
3.4.1.3 Routing overhead
Hình 3-8 Routing overhead theo thời gian dừng
Khi thời gian dừng bằng 0, số lượng bản tin định tuyến của cả 3 giao thức là lớn nhất do nút mạng dịch chuyển nhiều làm cho các liên kết giữa chúng đứt và mỗi khi phát hiện có liên kết đứt hoặc nút mạng liên kết không thể tới được, các giao thức sẽ lập tức gửi bản tin thông báo tới các nút hàng xóm khác. Khi mạng càng ổn định, tỷ lệ bản tin định tuyến càng giảm.
Trong 3 giao thức, tỷ lệ bản tin định tuyến của DSDV cao nhất do đặc điểm của DSDV là cập nhật thông tin định kỳ ngay cả khi topo mạng không thay đổi, bao gồm những thông tin định tuyến không sử dụng tới cũng được gửi. Khi nút mạng dịch chuyển càng nhiều, thông tin định tuyến tăng, DSDV phải quảng bá bản tin định tuyến theo kiểu “full dump” càng tạo ra nhiều overhead. Việc này làm tốn băng thông, ảnh hướng tới quá trình trao đổi dữ liệu giữa các nút trong mạng và tiêu tốn nguồn nuôi của các thiết
bị di động. Khác với DSDV, AODV và DSR chỉ thực hiện khám phá tuyến khi được yêu cầu và bản tin định tuyến chỉ mang thông tin về tuyến đường yêu cầu do đó tỷ lệ bản tin định tuyến của 2 giao thức này thấp hơn. Tuy nhiên có thể thấy bản tin định tuyến của DSR vẫn lớn hơn AODV do DSR hỗ trợ liên kết 1 chiều, nên trong quá trình khám phá tuyến, khi nút đích muốn gửi một bản tin trả lời về nguồn nhưng không có định tuyến tới nguồn, nó lại phải thực hiện quá trình khám phá tuyến về nguồn và lại quảng bá bản tin yêu cầu tuyến tới các nút hàng xóm của nó. Ngoài ra, trong quá trình duy trì tuyến, các nút sau khi nhận được bản tin dữ liệu từ nút trước nó, sẽ phải gửi lại một bản tin xác nhận do đó DSR có tỷ lệ bản tin định tuyến lớn hơn AODV.
3.4.2 Mô phỏng kích cỡ mạng
Hình 3-9 Trễ trung bình đầu cuối-đầu cuối theo thời gian dừng khi thay đổi kích cỡ mạng.
Khi tăng kích cỡ mạng từ 200 lên 500 nút (tăng gấp 2,5 lần), trễ của cả 3 giao thức đều tăng đáng kể. Trong đó, thời gian trễ của DSDV vẫn nhỏ nhất. Mặt khác 3 đường đồ thị đã có sự tách biệt rõ ràng. DSR vẫn có thời gian trễ lớn nhất do quá trình trao đổi bản tin của DSR có yêu cầu xác nhận từ nút nhận như đã nói ở trên.
3.4.2.2 Tỷ lệ mất gói
Khi mạng mở rộng hơn, tỷ lệ mất gói của cả 3 giao thức đều tăng, trong đó DSDV luôn có tỷ lệ mất gói nhiều nhất do DSDV cập nhật bản tin định tuyến định kỳ, khi kích cỡ mạng tăng các bản tin định tuyến có thể tạo ra “cơn bão” định tuyến làm tắc nghẽn mạng hoặc không tìm được tuyến đường yêu cầu dẫn đến mất gói. Mặt khác có thể thấy, khi số nút trong mạng tăng lên 500 nút DSR và AODV đã có sự khác biệt rõ ràng. Tỷ lệ mất gói của DSR là thấp nhất do quá trình khám phá tuyến và duy trì tuyến của DSR có những đặc điểm tối ưu hơn như đã trình bày ở trên. Như vậy, khi kích cỡ mạng nhỏ phương thức hoạt động của AODV và DSR có hiệu quả như nhau, AODV có phần vượt trội hơn do trễ trung bình đầu cuối – đầu cuối thấp hơn, nhưng khi kích cỡ mạng tăng DSR đã thể hiện rõ những ưu điểm của mình mặc dù trễ trung bình đầu cuối – đầu cuối của DSR là lớn nhất.
Hình 3-11 Routing overhead theo thời gian dừng khi thay đổi kích cỡ mạng. Số bản tin định tuyến tăng đáng kể khi kích cỡ mạng thay đổi trong đó DSDV luôn có