Duy trì lộ trình định tuyến
Như đã nhận xét ở trên, cơ chế hoạt động của AODV là không cần phải biết thông tin về các nút láng giềng mà chỉ cần dựa vào các thông tin định tuyến nút trong bảng định tuyến. Vì vậy, khi một nút nhận thấy rằng Next hop (chặng kế tiếp) của nó không thể tìm thấy, thì nó sẽ phát một gói RERR khẩn cấp với số Sequence number bằng số Sequence number trước đó cộng thêm 1, Hop count bằng ∞ (vô cùng) và gửi đến tất cả các nút láng giềng đang ở trạng thái hoạt động, những nút đó sẽ tiếp tục chuyển gói tin đó đến các nút láng giềng của nó, và cứ như vậy cho đến khi tất cả các nút trong mạng ở trạng thái hoạt động nhận được gói tin này.
Sau khi nhận thông báo này, các nút sẽ xóa tất cả các đường đi có chứa nút hỏng, đồng thời có thể sẽ khởi động lại tiến trình khám phá lộ trình nếu nó có nhu cầu định tuyến
Trước đó nút đã nhận RREQ? <Source, Broadcast ID>
Hủy gói RREQ Sai
Nút đang xét là nút đích?
Có lộ trình trong Route cache? hoặc
Có lộ trình nhưng DSN của Route cache nhỏ hơn DSN của RREQ
Sai
Phản hồi RREP về nguồn Đúng
Thiết lập lộ trình dẫn ngược về nút phát gói RREQ Hop count = Hop count + 1
Sai Phát gói RREQ đến các nút láng giềng
Thêm <Source, Request ID> vào Route cache của nút
Bắt đầu tiến trình khám phá lộ trình tại nút nguồn Kết thúc tiến trình khám phá lộ trình Kết thúc tiến trình xử lý gói RREQ đã nhận Đúng Đúng
47
dữ liệu đến nút bị hỏng đó bằng cách gửi một gói RREQ (với số Sequence number bằng số Sequence number mà nó biết trước đó cộng thêm 1) đến các nút láng giềng để tìm đường đi đến đích.
2.3 Nghiên cứu cải tiến định tuyến cho mạng MANET 2.3.1 Một số nghiên cứu về định tuyến cho mạng MANET 2.3.1 Một số nghiên cứu về định tuyến cho mạng MANET
Như phân tích ở phần trên về các giao thức định tuyến MANET, một trong những vấn đề chúng ta quan tâm là tăng hiệu quả truyền tin của mạng trong đó tập trung cả hai đặc tính là định tính (qualitative) và định lượng (quantitative). Đối với đặc tính về định tính bao gồm xử lý phân tán, hỗ trợ kết nối đơn hướng, hoạt động dựa trên yêu cầu, khả năng bảo mật. Các đặc tính về định lượng như thông lượng dữ liệu đến điểm đích (End to End data throughput), độ trễ, thời gian khám phá lộ trình, tỷ lệ gói tin không truyền được khi có yêu cầu truyền tin [69][77]. Với đặc điểm môi trường truyền dẫn vô tuyến thì các yếu tố làm ảnh hưởng chất lượng cũng như định lượng khá cao như các nhân tố nêu ở trên theo [9][96](pp.1-15), do đó việc cải tiến các giao thức định tuyến là giải pháp quan trọng để tăng hiệu quả truyền tin. Trong đó, việc nghiên cứu để cải tiến giao thức định tuyến tập trung vào các vấn đề như sau:
+ Hiệu quả định tuyến: Đây là yêu cầu quan trọng nhất của giao thức định tuyến, với yêu cầu khám phá lộ trình và gửi các gói tin từ nguồn đến đích. Vấn đề là phải tìm được đường đi ngắn nhất theo mục tiêu đặt ra, ví dụ tìm đường đi có số nút trung gian thấp nhất, hoặc tìm đường đi với khoảng cách từ nút nguồn đến nút đích là ngắn nhất hoặc kết hợp các tiêu chí với nhau để tìm được đường đi tối ưu. Việc tìm được đường đi ngắn nhất theo nghĩa trên là tham số định tính quan trọng của trong việc đánh giá hiệu quả định tuyến [26][34][90][95];
+ Tính chịu lỗi: Trong hệ thống phân tán, việc xác định đường truyền từ nguồn đến đích và việc tránh lỗi trong việc truyền từ nguồn đến đích là điều quan trọng trong thiết kế hệ thống. Điều này cũng tương tự trong hệ thống mạng MANET, tuy nhiên do đặc điểm của mạng MANET với việc truyền từ nút đến nút theo chặng do đó việc tồn tại đường truyền từ nút nguồn đến nút đích có thể gặp nhiều lỗi hoặc mất kết nối hoặc thay đổi trong quá trình nút di chuyển. Do đó, thực hiện việc truyền tin phải thông qua các nút láng giềng với các dữ liệu dư thừa để đảm bảo không bị lỗi truyền, đây cũng là một đặc điểm trong thiết kế thuật toán định tuyến của MANET [29][85];
+ Cân bằng tải: Đây là một vấn đề cần phải quan tâm trong thuật toán định tuyến MANET, do đặc tính truyền tin từ nút sang nút theo chặng, do đó một vài nút có thể có vị trí quan trọng và hầu hết các lộ trình phải qua nút đó, khi đó sẽ xảy ra tình trạng nghẽn mạng cục bộ tại nút đó và xảy ra tình trạng mất cân bằng tải và dẫn đến tắc nghẽn mạng [13][22]. Do đó, giao thức định tuyến phải giải quyết thuật toán cân bằng tải thông qua việc định tuyến đường đi để ”tránh” các nút hoặc đường đi đã có nhiều lộ trình qua nó để đảm bảo giảm tắc nghẽn cục bộ [6][53][54];
+ Sự tiêu tốn năng lượng: Hầu hết các nút trong mạng MANET đều sử dụng nguồn pin như thiết bị di động, PDA và các thiết bị di động khác. Với yêu cầu sử dụng năng
48
lượng trong việc khám phá lộ trình, truyền tin hoặc các xử lý khác và những xử lý này phải yêu cầu năng lượng lớn, vì vậy thiết kế thuật toán hiệu quả năng lượng là yêu cầu cơ bản của MANET trong khi nguồn năng lượng pin là giới hạn [40][63];
+ Xử lý trên mạng: Đối với mạng MANET, ngoài việc tiêu tốn năng lượng của các nút còn tiêu tốn năng lượng trong quá trình truyền dữ liệu trên mạng. Ví dụ, một vi xử lý thực hiện 3 triệu phép tính thì sử dụng một năng lượng tương đương cho việc truyền 1 Kbit dữ liệu trong 100m bằng sóng radio. Do đó chúng ta có thể thấy rằng cần phải điều khiển được việc truyền dữ liệu để hiệu quả hơn tránh việc tiêu tốn năng lượng hơn khi truyền dữ liệu bằng cách chưa truyền dữ liệu nếu chưa có sự chắc chắn của kết các nối hoặc đảm bảo kết nối mới truyền dữ liệu, đây cũng là một vấn đề cần phải thực hiện trong thuật toán định tuyến [28][50];
+ Tránh tắc nghẽn: Đây là một vấn đề quan trọng của giao thức định tuyến đặc biệt đối với MANET, giống như trường hợp cân bằng tải, trường hợp tắc nghẽn là một lượng lớn gói tin hoặc lộ trình đi qua một nút và xảy ra quá trình nghẽn tại nút đó. Khi đó thì hệ thống mạng sẽ bị ngưng trệ hoặc xảy ra tình trạng mất gói tin, mất kết nối vì phải hủy đường đi qua nút mạng đó. Do đó, việc tránh tắc nghẽn là quan trọng trong giao thức định tuyến và là cách để giảm bớt tỷ lệ gói tin rơi hoặc tăng tỷ lệ thành công của gói tin truyền trong mạng [22][29][61].
+ Sự phán đoán: Khả năng phán đoán về các nút sẽ xảy ra lỗi hoặc mất kết nối trước khi chúng thực sự xảy ra trong quá trình khám phá lộ trình hoặc truyền tin, đây là một đặc tính thông minh và khả năng phán đoán giúp cho giao thức hiệu quả hơn [50][58].
Như vậy ta thấy rằng các nhân tố trên ảnh hưởng đến hiệu quả của giao thức định tuyến và tùy theo các điều kiện cụ thể, có ảnh hưởng cụ thể của từng nhân tố đến việc thực hiện truyền tin trên mạng MANET của các giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến trên mạng MANET thường dựa vào hai thuật toán véc tơ khoảng cách và trạng thái liên kết trong mạng Ad hoc dẫn đến một số vấn đề:
+ Tiêu tốn băng thông mạng và năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhật định kỳ: hầu hết các thiết bị di động trong mạng Ad hoc sẽ hoạt động dựa trên nguồn pin, việc truyền hoặc nhận gói tin sẽ làm tiêu tốn đáng kể nguồn năng lượng này như phân tích ở trên. Đối với các mạng có dây, các nút mạng là cố định và ít thay đổi nút mạng do đó ít xảy ra thay đổi cấu hình tô pô mạng. Tuy nhiên trong mạng Ad hoc hoặc MANET, các nút luôn thay đổi vị trí dẫn đến cấu hình tô pô mạng thay đổi, nên đòi hỏi cần có sự điều chỉnh lộ trình cho các đường đi mới một cách nhanh chóng khi có sự thay đổi. Để thực hiện được việc này, các giao thức định tuyến phải liên tục gửi cập nhật khám phá lộ trình, dẫn đến việc tiêu tốn khá nhiều băng thông và năng lượng [39][86].
+ Các đường đi dư thừa được tích lũy một cách không cần thiết: trong môi trường mạng Ad hoc. Có nhiều đường đi từ nút nguồn đến nút đích và các đường đi này được cập nhật trên bảng định tuyến trong các thiết bị định tuyến (thiết bị di động), dẫn đến việc dư thừa đường đi trong bảng định tuyến [28][84].
Với các vấn đề nêu trên, việc định tuyến tìm đường đi, tối ưu hóa các thuật toán định tuyến, cải thiện chất lượng đường truyền là khá phức tạp, do đó nhiều nghiên cứu để cải
49
tiến về vấn đề này rất được quan tâm và đã đạt được một số kết quả. Nhiều nghiên cứu cải tiến định tuyến cho mạng MANET được các nhóm nghiên cứu quan tâm và đã đạt một số kết quả, để cải tiến một số giao thức định tuyến như TORA, OLSR, DSDV, DSR.
Chúng ta xem xét, đánh giá một số hướng nghiên cứu về giao thức định tuyến cho MANET. Công trình nghiên cứu [22] đưa ra nghiên cứu chung vấn đề điều khiển tắc nghẽn của mạng MANET, đây cũng là vấn đề lớn của mạng không dây và mạng MANET. Trong một mạng với các nguồn đều phát và nhận dữ liệu, nhiều nút gửi dữ liệu và vấn đề không phải các gói tin đều được nhận thì sẽ bị rơi. Và thường thì các gói tin sẽ được chuyển trên mạng trong một thời gian và đến một số nút mạng mới bị rơi làm cho giảm tài nguyên mạng và tăng tắc nghẽn mạng. Vì vậy tắc nghẽn mạng liên quan nhiều đến việc giảm thông lượng mạng, các vấn đề được đánh giá và đặt ra về mức độ tắc nghẽn để đưa ra các phương án để giải quyết mức độ tắc nghẽn từ mức giao vận (TCP/UDP ) cho đến mức liên kết dữ liệu (MAC) trong đó xác nhận việc tắc nghẽn là yếu tố chính trong việc giải quyết vấn đề hiệu năng định tuyến và truyền tin của mạng MANET.
Một hướng nghiên cứu khác sử dụng tác tử để cải tiến các giao thức định tuyến của MANET, trong đó sử dụng ARPM, để cập nhật thông tin trạng thái khi nút nhận được đường đi bao gồm thông tin nút và thời gian, tác tử sẽ điều khiển thời gian truyền đi bằng một thời gian xác định nào đó để tránh tắc nghẽn và có thể áp dụng cho một số giao thức như OLSR, AODV [54]. Một số nghiên cứu khác tổng hợp một số giải pháp để tăng hiệu quả định tuyến của các giao thức trong mạng ad hoc, trong đó đưa ra các khái niệm link associativity (khả năng kết hợp các nút khi nhận dấu hiệu của kết nối); node stability (tính sẵn sàng của nút dựa vào khả năng liên kết) và stability classification (phân loại tính sẵn sàng) chia thành các nhóm nhanh, chậm, bình thường. Từ đó đưa ra các giải pháp đối với các trường hợp và sử dụng các khung giao thức phù hợp. Từ đây chúng ta đánh giá tùy vào tính di động của các nút và mật độ của các nút để chọn các giao thức định tuyến phù hợp hoặc cải tiến các giao thức định tuyến phù hợp theo [16]. Một nghiên cứu đưa giải thuật đàn kiến (ant algorithm) để cải tiến vào cả hai nhóm giao thức bản ghi (DSDV) và điều khiển theo yêu cầu DSR, AODV và kết quả cho thấy giải thuật này phù hợp với giao thức bản ghi, các kết quả này được đánh giá bằng mô phỏng [35].
Như vậy, qua một số nghiên cứu điển hình về định tuyến MANET, tác giả nhận xét rằng việc cải tiến các giao thức định tuyến chỉ giải quyết một số trường hợp cụ thể với một môi trường cụ thể hoặc trên một nhóm giao thức. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc chọn lựa phương án định tuyến cho các bài toán khác nhau là quan trọng và ảnh hướng đến kết quả của việc định tuyến. Một trong những vấn đề quan trọng ảnh hướng đến hiệu quả định tuyến cũng như hiệu năng mạng là vấn đề tắc nghẽn và điều khiển tắc nghẽn. Nhiều nghiên cứu có đưa ra vấn đề này tuy nhiên chỉ giải quyết một số khía cạnh cụ thể trên một bài toán hoặc giao thức cụ thể mà chưa giải quyết hiệu quả các trường hợp. Ví dụ, một số giải phảp cải tiến chưa giải quyết bài toán khi mật độ lưu lượng cao và các nút di chuyển nhanh, hoặc một số cải tiến chưa thực hiện cải tiến trên toàn bộ trường hợp, hoặc phát sinh thêm các vấn đề khác như bị trễ truyền khi tránh đường đi có khả năng tắc nghẽn cao, điều
50
này có thể do các giao thức định tuyến chỉ phù hợp hoặc tốt hơn trên một trường hợp cụ thể so với giao thức định tuyến khác hoặc phạm vi áp dụng của các giao thức khác nhau. Như vậy, các nghiên cứu về cải tiến các giao thức định tuyến cho mạng MANET trong các trường hợp, môi trường cụ thể khác nhau đang là vấn đề tiếp tục được nhiều nhóm quan tâm nghiên cứu. Ngoài các kết quả và nội dung trình bày như trên, hiện tại các nghiên cứu khác đang thực hiện trên nhiều hướng khác nhau để cải thiện cho những mô hình áp dụng, trường hợp khác nhau đối với mạng MANET và đây cũng là vấn đề mà luận án tập trung nghiên cứu.
2.3.2 Nghiên cứu cải tiến giao thức định tuyến DSR và AODV
Qua phân tích, tổng hợp, đánh giá ở mục 1.3.1 Chương 1, mục 2.2 Chương 2 về vấn đề định tuyến cho mạng MANET. Tác giả đã tìm hiểu, nghiên cứu, đánh giá một số nghiên cứu của các nhóm tác giả khác về cải tiến giao thức định tuyến giao thức DSR, AODV cho mạng MANET. Dưới đây trình bày cơ bản về quan điểm và phương thức tiếp cận, cải tiến của một số nghiên cứu cải tiến, từ đó có sự đánh giá, so sánh một số ưu nhược điểm để đưa ra cách tiếp cận của tác giả trong việc đề xuất các cải tiến được trình bày trong phần sau.
Theo nội dung công trình nghiên cứu [7], nhóm tác giả đề xuất cải tiến giao thức DSR sử dụng kỹ thuật phát di động quảng bá liên mạng (MIKBIT) bằng cách khi nhận RREQ, nó thực thiện việc tìm nút láng giềng ở trong bảng định tuyến mà hiện tại không nằm trong chọn lựa tìm kiếm định tuyến thay vì phải tìm hết lần lượt các nút, như vậy sẽ giảm chi phí tìm kiếm lộ trình để gửi các gói tin trong thuật toán tìm đường và được áp dụng trên IEEE 802.15.4 (ZIGBEE). Một số nghiên cứu đã đề xuất cải tiến trong đó giải pháp cải tiến giao thức DSR theo hướng sử dụng các tham số về độ đo mức năng lượng của mỗi nút để chọn đường đi để đưa ra đề xuất giảm việc sử dụng năng lượng của quá trình khám phá và truyền dữ liệu từ đó nâng cao hiệu quả của mạng (tăng thời gian sống của nút mạng), việc giảm tiêu dùng năng lượng bằng cách cải tiến việc trả về bằng cách chỉ trả về đường đi từ đích đến nguồn và bỏ qua các gói ACK, RERR và như vậy giảm bớt năng lượng sử dụng cho mạng [63]. Một nghiên cứu cải tiến giao thức giao thức định tuyến AODV bằng thuật toán cải tiến hiệu quả thông lượng sử dụng tác tử dựa trên cập nhật và phản hồi bán định kỳ (quasi-periodic) [37], cải tiến các gói tin gửi và phản hồi [47] để giảm việc tìm đường lại khi bị mất liên kết bằng cách sử dụng khái niệm tác tử di chuyển chọn láng giềng gần nhất. Tuy nhiên việc cải tiến chỉ giải quyết được việc chọn láng giềng tốt hơn chứ chưa tính đến các đường đi tiếp theo trong toàn mạng.
Công trình nghiên cứu [30] đã đề xuất giải pháp sử dụng tác tử di động để điều khiển tắc nghẽn của giao thức định tuyến AODV. Với quan điểm sử dụng các tác tử di động đưa vào mạng để mang thông tin định tuyến và tình trạng tắc nghẽn của nút. Khi tác tử di